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示波器的兩種反應特性

工程人員在進行高速數(shù)字信號測量時,，通常需要具備兩種測量技術的基礎知識。一個是理解有關探針(Probe)等測試附件的特性,，另外一個就是要了解測試儀器本身,，通常就是指示波器（Oscilloscope）的頻率反應特性。下面就來探討示波器的兩種反應特性及不同反應特性對系統(tǒng)的影響和區(qū)分,。

示波器的反應特性會對信號的波形有所影響,，并改變信號上升時間的計算。當Pentium 4進千兆赫時代后,，Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續(xù)超越了Gbps,，選擇適當?shù)奶结槷斎皇且患匾氖拢x擇合適的示波器也是不可欠缺的工作,。

　　測量波形從輸入連接器經過采樣和信號處理顯示在屏幕上,，同時保存數(shù)據(jù)。一旦選擇了不適當?shù)氖静ㄆ?，波形就可能變形,。尤其在測量像PCI Express高速串行接口的波形時，不僅要衡量采樣頻率及帶寬,，還必須對示波器的反應特性有所認知,。比如，在測量非常陡峭的信號變化時,，會因為示波器反應特性的差異而有所不同,。

反應系統(tǒng)分為兩大類

　　示波器的反應特性泛指從輸入端的連接頭到畫面顯示整個測量系統(tǒng)的“傳遞特性”。通?？梢苑譃楦咚?Gaussian Response)型反應系統(tǒng)和磚墻(Brick-wall Response)型反應系統(tǒng)兩大類,。磚墻型反應系統(tǒng)也稱平坦反應型(Flat Response)。

　　要區(qū)分或比較這兩類系統(tǒng)的差異,，最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(Step)波形的反應”這兩個基本參數(shù),。

　　常用的模擬示波器屬于高斯型反應系統(tǒng)，其頻率特性會在右肩端緩慢下滑,，而步級波形的輸入即使再陡峭,，也不容易產生波形失真，即不會產生步級波形瞬間的前沖(Preshoot),、波形后的過沖(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現(xiàn)象,。在測量短過渡時間的數(shù)字電路信號時，這是很理想的特性,。

　　模擬示波器必須將輸入端輸入的數(shù)mV微小電壓信號經過幾級的放大電路,，變換成數(shù)百mV的電壓,，以確保足夠驅動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的,。

　　而在測量高速串行接口的波形時,，一般采用實時采樣方式的寬帶數(shù)字示波器，這類示波器多采用磚墻反應型的應答系統(tǒng),。

　　磚墻反應型的應答特性又稱“最高平坦應答”,，在頻帶內頻率響應極為平坦，而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時,，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性,，在頻帶內的信號振幅是不會有衰減現(xiàn)象發(fā)生的,。超過頻帶之外，信號振幅就成為零,。

　　與高斯反應示波器相比,，磚墻反應型示波器還是有幾個缺點：

對于輸入步級波形的反應，容易出現(xiàn)前沖或過沖波形
示波器上升時間較長,，換言之,，就是反應比較慢
　　 這里所說的示波器上升時間，是指步級輸入對應到輸出波形的上升時間,。這個時間越短,，代表示波器越能忠實地展現(xiàn)出從輸入連接器端測量到的波形。因此,，示波器上升時間就是其高頻特性的代名詞,。同時，數(shù)字信號的上升時間,，一般是指從低位階遷移到高位階的時間,。通常指信號位階10%～90%的上升遷移時間，而對于高速數(shù)字通信來說,，大多是指20%～80%的時間遷移,。

　　下面這兩個數(shù)學式可用來估算磚墻反應型及高斯反應型示波器的上升時間：

　　磚墻反應型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz)

　　高斯反應型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應該是0.338/帶寬(GHz)

　　舉例來說,，一個帶寬為6GHz的示波器,，高斯反應型示波器的上升時間約為58ps，而在目前主流的同等帶寬磚墻反應型示波器的上升時間約為70ps,。

　　盡管磚墻反應型示波器的上升時間略遜一籌,，實時采樣的寬帶數(shù)字示波器機種主要還是采用磚墻反應型的應答特性。仔細探究起來,，主要的內在理由有二,。其一,，是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差，因為高斯反應型示波器在頻帶內的振幅誤差太大,。從圖2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方面的優(yōu)劣,。假設輸入信號帶寬為1GHz，采樣頻率4GHz,，由圖2所示可看出,，高斯反應型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑，尤其在超過帶寬1/3的頻帶領域,，波形明顯衰減,，即信號誤差大。

提高采樣頻率 抑制混淆現(xiàn)象

　　高速數(shù)字示波器選用磚墻反應型的另外一個重要原因,，是要回避或盡量減小圖形混淆(Aliasing)現(xiàn)象,。使用數(shù)字示波器測量高速信號時，會產生圖形混淆現(xiàn)象,，主要因為在重現(xiàn)采樣的高速信號時,，某些信號混入了不必要的波形。這些混入的信號頻率成分會對原來的信號波形造成失真,，嚴重的話還會引起測量誤差,。

　　圖形混淆現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在模擬數(shù)字轉換器的連續(xù)信號中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分,，也就是采樣頻率的二分之一,。這個成分在尼奎斯特頻率領域內折返，出現(xiàn)在示波器測量帶寬內,。從頻率特性圖中可以清楚看出,，磚墻反應型示波器的圖形混淆影響微乎其微。

　　同樣條件下,，能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領域中,，幾乎沒有信號，可以抑制混淆現(xiàn)象的發(fā)生,。

　　另外,，如果以20GHz、10GHz與5GHz三種不同的采樣頻率測量一個周期2.2ns,、上升時間約90ps的波形,，會得到不一樣的結果。采樣頻率越低,，上升時間的實際測量值越長,，波形越不能忠實地呈現(xiàn)。

　　目前高速串行接口測量所使用的實時采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機種所搭載模擬數(shù)字轉換器的采樣頻率高達20GHz左右,。一般為了降低圖形混淆現(xiàn)象發(fā)生,，高斯反應型示波器采樣頻率需是輸入信號的4～6倍，而磚墻反應型示波器僅需2.5倍,。

　　通常情況頻帶都低于1GHz,，因此大多采用高斯型反應系統(tǒng)，而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應型系統(tǒng),。表2所示是兩種反應型示波器的優(yōu)缺點對比,。

根據(jù)性能要求選擇示波器

　　那么，如何來選擇最適合的示波器呢,？有4個簡單的步驟：

算出測量信號的最高頻率成分fmax,。即信號頻率成分的上限，可以通過測定信號的上升時間計算出來,。假設上升時間由20%遷移到80%,，可利用(0.4/信號上升時間)的數(shù)學式估算其約略值，而非直接從數(shù)據(jù)傳輸速率來估算,。以當紅的第三代總線PCI Express來說，多數(shù)情況下其上升時間約為100ps,。
選擇示波器的反應特性,。即在高斯型反應系統(tǒng)與磚墻反應型系統(tǒng)內選擇一個合適的，一般測量高速串行接口或總線的應用多數(shù)選擇后者,。
必須把握必要的輸入帶寬,。它與上升時間的測量誤差有關。有一家儀器公司做過仿真的實驗：若磚墻反應型系統(tǒng)允許3%的誤差,，帶寬可以用(1.4×fmax)來計算,；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來計算,；20%的容許誤差時,，則用(1.0×fmax)來計算。
估算最低的采樣頻率值,。該數(shù)值會利用到上面的帶寬值,，就磚墻反應型示波器來說，最低需要(2.5×帶寬),。
　　 利用上面四點可以說明一個案例：上升時間100ps的數(shù)字信號,，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應型 示波器,，假定上升時間的誤差局限于3%,，那么輸入信號的帶寬為5.6GHz，因此,，采樣頻率最低也需要14GHz,。

　　若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應系統(tǒng)時,，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測量的信號上升時間為220ps,，與磚墻反應型系統(tǒng)比差了一半,。有些寬帶實時示波器依賴數(shù)字信號處理的活用，來實現(xiàn)磚墻反應型系統(tǒng)的特性,。畢竟,，單靠電路技術很難實現(xiàn)理想的特性。

　　總之,，帶寬及采樣頻率的合適與否,，是選擇昂貴示波器時的重要指針。此外,，理解測試儀器的特性,，也是掌握正確測定的關鍵要素。