数字示波器的信号保真度探析
摘要: 现在衡量数字示波器的指标很多，不免让人分不清主次，实际上最主要的但却抽象的衡量标准是信号保真度，简单说信号保真度就是示波器显示的波形和被测波形的一致性。因为波形从被测点到显示在示波器的屏幕上要经过数字示波器的各个环节，而每一部分都有可能对信号产生影响，因而数字示波器要实现高的保真度是一件非常困难的事，本文就是对数字示波器的信号保真度作一次探析。
关键字: 示波器，探头，信号保真度，带宽，Flat 频响，采样率
前言
现代电子设计面临越来越高的挑战。在数字领域，电路的集成规模越来越大，IO 数量越来越多，单板互连密度不断加大；同时芯片内和芯片外时钟速率越来越高，信号边沿越来越快，新技术不断出现，如：PCI Express ，Serial ATA ，1394B ，Fibre Channel ，Rapid IO ，XAUI ，5G~6.25G 高速背板等，这样系统和板级的高速问题，信号完整性问题，电磁兼容问题更加突出。在射频、微波领域，新技术的出现，频宽的扩展，如：UWB ，高精度、宽频雷达，给我们的系统设计带来越来越高的挑战。
示波器作为最常用的测试分析工具，也得到了长足的发展。示波器的发展有两个趋势，其一是性能的提升。自从Agilent 在20 世纪80 年代推出数字示波器后，数字示波器不断发展，从上百兆发展到上Giga ，再发展到6GHz 带宽、20GSa/s 的采样率，一直到现在的高达13GHz 带宽、40GSa/s 实时采样速率的超高性能示波器，示波器的性能上获得了跳跃的发展。
另一方面，随着Windows 操作系统在示波器上的应用，示波器的可用性和软件分析能力也获得了巨大的发展，比如现在的示波器大多采用开放的Windows XP Pro 操作系统，配备多种测试分析软件，如：抖动测试分析软件，串行数据测试分析软件，PCI Express 等一致性测试分析软件，能够把示波器的分析从时域扩展到频域、解调域、数字域的矢量信号分析软件89601 等，这成为数字示波器的另一发展趋势。
而衡量数字示波器的指标很多，不免让人分不清主次，实际上最主要的但却抽象的衡量标准是信号保真度（Signal Fidelity ），简单说信号保真度就是示波器显示的波形和被测波形的一致性。因为波形从被测点到显示在示波器的屏幕上要经过数字示波器的各个环节，而每一部分都有可能对信号产生影响，因而数字示波器要实现高的保真度是一件非常困难的事。示波器影响信号保真度主要有图1 所示几个因素：探头连接部分带宽，探头带宽，示波器带宽和频响，采样率。示波器系统的信号保真能力或叫系统带宽由链路中的最弱部分决定，比如一个6GHz 带宽，20GSa/s 采样率的示波器如果配备3.5GHz 带宽的探头系统，那么整个示波器系统的系统带宽最多只有3.5GHz 。下面从这几个方面探悉数字示波器的信号保真度。
图1 ：影响示波器信号保真度的几个因素
探头系统
提到示波器不得不提到示波器的探头系统（包括探头连接附件和探头本身），是探头系统把被测电路的信号引入到示波器内部，如图2 所示。这样探头系统的好坏直接决定了引入到示波器内的信号与本身信号的一致性，而同时探头系统也成为了被测电路的一部分。探头的负载特性表现在三个方面：探头的输入电阻，电容和电感。
图2 ：探头是连接被测电路与示波器的桥梁
探头的输入电阻会影响被测信号的幅度和直流偏置，因为探头输入电阻有分压作用。如果要求幅度测试误差小于10%，则探头的输入电阻要求大于10 倍的被测源电阻。探头的输入电容会影响被测信号的边沿和传输延时，边沿的影响因子为2.2RC （R 为探头的输入电阻和被测源电阻的并联值，C 为探头的输入电容值）。探头的电感效应主要由接地引线所引起，一般接地引线1mm 能够产生1nH 的电感值，对信号的影响主要是示波器显示的信号有振铃现象。 探头分为有源探头和无源探头，无源探头分为低阻无源探头和高阻无源探头，高阻无源探头应用较广，但是带宽一般限制在600MHz 以内，输入电阻和输入电容都较大。现在数字信号的信号速率都很高，很多超过Giga bit 的信号，这些信号的测试需要高带宽的有源探头，对差分信号还需要有源差分探头。有源探头里面有放大器，输入电容能够做到很小（比如小于1pf ），输入电阻也能够做到几十K 欧姆，这样可以保证对被测信号影响足够小。但是有源探头的连接部分是非常关键的，会对探头系统的性能有很大的影响，为此一些特殊设计的有源探头横空出世，比如获得EDN 杂志年度产品创新大奖的InfiniiMax 探头系统，设计了各种连接附件，SMA 差分连接、点测、插孔、焊接等确保探测的灵活性和可靠性，同时每种附件可以保证足够高的带宽，连接附件的带宽竟然可以达到12GHz ，如图3 所示。
图3 ：InfiniiMax 探头系统和一些连接附件
示波器带宽和频响
信号通过探头系统进入示波器以后，示波器哪些部分对信号保真度影响较大呢？图4是数字示波器的参考体系结构，信号进入示波器后，首先是进入衰减器，然后进入前置放大器，他们协同工作，让我们能够很方便调整示波器的垂直分辨率。当然衰减器之前还有继电器，在起动示波器时以及按自动设置和调整垂直分辨率时作为快速切换校准使用。示波器继电器现在有两种技术，一种是电子继电器，一种是机械机械继电器。使用机械继电器的示波器需要注意一点是，当按自动设置键或调整垂直分辨率时，继电器开关切换，很有可能向示波器输入端口反向输出负脉冲，高的脉冲幅度可以达到-15V ，如果直接用电缆连接到电路上，这对被测电路可能有很大的伤害。电子继电器是一种新技术，解决了这方面的问题。判断一台示波器是使用电子继电器还是使用机械继电器，其实非常简单，只要按自动设置键(Autoset 或Autoscale)，听一下有没有“啪” “啪” “啪”的声音即可，有声音则是机械继电器，无声音则是电子继电器。
图4 ：数字示波器参考体系结构
我们说的示波器的模拟带宽指的就是前置放大器的带宽。示波器的带宽是这样定义的，放大器的频响曲线下降3dB 处的频点，就是示波器的3dB 带宽，简称带宽。所以一台6GHz 带宽的示波器测量一个6GHz 的正弦波，幅度一定会降低3dB （约降低30%）。而且，你会发现不仅仅在带宽处会降低幅度，低于带宽处也可能会影响幅度。为此，现代高带宽数字示波器主要有两种频响方式，如图5 所示，一种是传统的高斯频响方式，一种是Flat 频响方式。传统的高斯频响方式，在3dB 带宽内对信号频谱有一定的影响，在3dB 带宽外，会拖出一个较长的尾巴，这样使得后面的AD 需要更高的采样率才能确保不发生频率混叠。Flat 频响方式有一定的改进，在3dB 带宽内对信号的频谱影响相对较小，而3dB 带宽外，留的尾巴相对较少，当然Flat 频响还不能达到砖墙频响的理想境界，但是已经是很大提高
图5 ：传统示波器的高斯频响方式与Infiniium 示波器的Flat 频响方式
那么，测试数字信号或脉冲应该选择多高带宽的示波器呢？这首先么考虑被测数字信号或脉冲的带宽，被测数字信号或脉冲的带宽主要由其边沿决定，计算公式是：
信号带宽BWsignal ＝0.5/Tr （10%～90%）或BWsignal ＝0.4/Tr （20%～80%）
参考：Howard Johnson and Martin Graham High-Speed Digital Design: A Handbook of Black
Magic" Prentice Hall 1993 (ISBN:0133957241)第13 页，文中用Fknee 表示信号的带宽，图6是从里面拷贝过来的。
图6 ：数字信号或脉冲的Fknee 频率计算或其带宽计算
那么示波器需要多高的带宽才能把Fknee 频率以内的信号都捕获到呢？对高斯频响，因为3dB 带宽内对频谱有一定的影响，为捕获Fknee 频率以内的信号，需要2 倍Fknee 频率以上的带宽（或信号带宽的2 倍以上）才能保证很小的频谱误差，即保证很小边沿误差。对Flat 频响示波器，因为3dB 带宽内影响相对较小，则需要为信号带宽或Fknee 频率1.4 倍以上的示波器带宽。
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