觸發(fā)抖動(dòng)測(cè)量的演進(jìn)

我們通常都知道，在任何一款示波器的技術(shù)資料中觸發(fā)抖動(dòng)都是一個(gè)最常見(jiàn)的性能指標(biāo)。不錯(cuò)，自從示波器中應(yīng)用了觸發(fā)電路以后，觸發(fā)抖動(dòng)就一直存在。而且，測(cè)量方法也很簡(jiǎn)單。不過(guò)其狹義的定義卻是鮮為人知，其應(yīng)用也存在著很大的限制。更糟糕的是，我們過(guò)去一直用來(lái)測(cè)量觸發(fā)抖動(dòng)的技術(shù)受到了示波器中其它誤差的嚴(yán)重影響。

圖1. 使用水平波形直方圖進(jìn)行傳統(tǒng)的觸發(fā)抖動(dòng)測(cè)量。

理論上，我們都希望示波器的性能指標(biāo)能夠區(qū)分垂直誤差和水平誤差。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檫@兩種不同的誤差會(huì)對(duì)波形測(cè)量造成不同的影響。對(duì)于噪聲和抖動(dòng)來(lái)說(shuō)，我們希望能夠測(cè)量示波器添加到顯示波形的垂直噪聲，并對(duì)示波器添加到顯示波形的水平抖動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。為將這些特征與稍后將要討論的其他特征加以區(qū)分，我們將這兩個(gè)特征分別稱為顯示噪聲和顯示抖動(dòng)。

在進(jìn)行深入探討之前，我們首先需要清楚地了解示波器的體系結(jié)構(gòu)。圖2所示的就是示波器的簡(jiǎn)化抖動(dòng)模型。注意，該模型僅適用于重復(fù)采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器。當(dāng)然，為了便于理解顯示噪聲和顯示抖動(dòng)，實(shí)際的示波器電路中有很多獨(dú)立的噪聲源和抖動(dòng)源都可歸入這三種類型。

圖2. 示波器的簡(jiǎn)化模型。

從這個(gè)模型可以清楚地看到，顯示抖動(dòng)實(shí)際上是兩個(gè)誤差源(觸發(fā)噪聲源和觸發(fā)抖動(dòng)源)共同作用的結(jié)果。也許您之前從未考慮過(guò)觸發(fā)電路中的輸入?yún)⒖荚肼?，但?shí)際上應(yīng)該考慮到這些因素。當(dāng)瞬變信號(hào)越過(guò)選定的電壓閾值時(shí)，觸發(fā)電路就會(huì)檢測(cè)到這一變化。輸入信號(hào)的任何電壓誤差(噪聲)都會(huì)引起輸出信號(hào)的定時(shí)誤差(抖動(dòng))。區(qū)分觸發(fā)抖動(dòng)和觸發(fā)噪聲非常重要，因?yàn)橛|發(fā)噪聲對(duì)顯示抖動(dòng)的影響取決于輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率，而觸發(fā)抖動(dòng)則不然。觸發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動(dòng)通常都是獨(dú)立的誤差源，所以它們對(duì)顯示抖動(dòng)的影響可用公式(1)表示。

公式(1)表明觸發(fā)抖動(dòng)實(shí)際上只是我們?cè)谑静ㄆ黠@示屏上看到的一部分水平誤差。我們真正關(guān)心的是顯示抖動(dòng)，所以我們?cè)谑静ㄆ骷夹g(shù)資料中應(yīng)該公布顯示抖動(dòng)，而不只是觸發(fā)抖動(dòng)。

不過(guò)，公式(1)可能不是最適于在技術(shù)資料中使用的公式。由于觸發(fā)噪聲和顯示噪聲幾乎總是互成比例，因此，技術(shù)資料可能更喜歡使用公式(2)。觸發(fā)噪聲作為顯示噪聲的函數(shù)就會(huì)很方便。因?yàn)轱@示噪聲容易測(cè)量，而且通常都已經(jīng)公布在技術(shù)資料中了。

不過(guò)，觸發(fā)噪聲的影響究竟有多大呢?讓我們看圖3，圖3是在Infiniium 80304B示波器上測(cè)得的顯示抖動(dòng)與轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系圖。圖中最高轉(zhuǎn)換速率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是正弦波輸入信號(hào)的半屏的峰峰值，頻率為示波器的最大帶寬。注意，顯示抖動(dòng)主要依賴于信號(hào)在示波器最高帶寬范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換速率。因此，它必須由觸發(fā)噪聲來(lái)決定。否則，它就會(huì)在高于某個(gè)轉(zhuǎn)換速率的觸發(fā)抖動(dòng)值處趨于平穩(wěn)。

圖3 . 在Infiniium 80304示波器上測(cè)得的顯示抖動(dòng)與轉(zhuǎn)換速率的圖形。

圖1是使用水平波形直方圖執(zhí)行傳統(tǒng)觸發(fā)抖動(dòng)測(cè)量的實(shí)例。我們的方法是測(cè)量觸發(fā)信號(hào)越過(guò)觸發(fā)閾值的那些時(shí)間值的分布。根據(jù)前面的討論，顯然我們真正應(yīng)該測(cè)量的是顯示抖動(dòng)，因?yàn)樗擞|發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動(dòng)兩方面的影響。

那么，使用這種技術(shù)來(lái)測(cè)量顯示抖動(dòng)有那些不足之處呢?我們的目標(biāo)是測(cè)量顯示波形的水平抖動(dòng)，而它與垂直噪聲無(wú)關(guān)。不過(guò)，這種測(cè)量結(jié)果正和觸發(fā)電路相似。測(cè)得的閾值跨越的時(shí)間值會(huì)被垂直噪聲所干擾。

數(shù)十年來(lái)，我們確實(shí)一直在使用這種技術(shù)，并且欣喜的發(fā)現(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)什么問(wèn)題(或者至少我們沒(méi)有注意到)，但是某些情況已經(jīng)改變。事實(shí)上，有兩點(diǎn)已經(jīng)改變。一是我們?cè)O(shè)計(jì)低抖動(dòng)觸發(fā)、時(shí)基和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的能力逐年提高，現(xiàn)在已達(dá)到顯示噪聲通常能夠決定顯示抖動(dòng)的水平。另一個(gè)改變是突然發(fā)生的，也就是安捷倫新型 “無(wú)抖動(dòng)”誤差校正技術(shù)的出現(xiàn)。“無(wú)抖動(dòng)”不僅極大改善了Infiniium示波器的顯示抖動(dòng)，同時(shí)也使得傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)無(wú)法再繼續(xù)使用。

為了知道原來(lái)的測(cè)量技術(shù)為什么無(wú)法在采用“無(wú)抖動(dòng)”技術(shù)的示波器上繼續(xù)使用，您需要清楚這一點(diǎn)：所謂的“無(wú)抖動(dòng)”，并不是去除示波器中所有的觸發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動(dòng)。相反，它只是用更小的顯示噪聲和采樣時(shí)鐘抖動(dòng)來(lái)替代更大的硬件觸發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動(dòng)。這就在顯示波形的觸發(fā)點(diǎn)上產(chǎn)生了一個(gè)很有意思的顯示現(xiàn)象，見(jiàn)圖 4。

圖4. 使用水平波形直方圖在采用“無(wú)抖動(dòng)”技術(shù)的示波器上執(zhí)行傳統(tǒng)的觸發(fā)抖動(dòng)測(cè)量。

請(qǐng)看一下，顯示波形是如何在觸發(fā)點(diǎn)上被壓縮成了一條非常細(xì)的線呢?這種現(xiàn)象正是我們?cè)跊](méi)有顯示噪聲或顯示抖動(dòng)的理想示波器上將會(huì)看到的(其中的具體原因，留給您下次在機(jī)場(chǎng)侯機(jī)等閑暇時(shí)間慢慢思考)。這并不是因?yàn)榇怪痹肼暫退蕉秳?dòng)都消失了，而是因?yàn)樗鼈兦∏稍谟|發(fā)點(diǎn)處相互抵消。顯然，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)就遜色許多了。

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那么，我們現(xiàn)在應(yīng)該做些什么呢?其實(shí)，我們需要的是一種新的測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)要能確定與顯示的波形恰好相配的無(wú)噪聲輸入信號(hào)的水平位置。這聽(tīng)起來(lái)很難，但我們只要把正弦波作為輸入信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的FFT運(yùn)算，就能計(jì)算出我們需要的水平位置。結(jié)果是，每個(gè)FFT頻率分量的相位都等于正好與原始信號(hào)相配的理想正弦波的相位。最后，我們只需要使用由輸入信號(hào)的頻率決定的比例常數(shù)，將顯示波形的相位抖動(dòng)從相位轉(zhuǎn)換為時(shí)間。

圖5. Infiniium 示波器屏幕，使用新的FFT相位技術(shù)顯示抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果。

Agilent Infiniium示波器內(nèi)置有FFT相位波形運(yùn)算函數(shù)，能夠非常容易地測(cè)量顯示抖動(dòng)。以下是使用實(shí)時(shí)示波器的FFT相位函數(shù)測(cè)量顯示抖動(dòng)的操作步驟：

1) 為示波器輸入一個(gè)理想的無(wú)抖動(dòng)正弦波。也許，“理想”意味著要做許多工作，不過(guò)使用低相位噪聲源和窄帶通濾波器將會(huì)帶來(lái)導(dǎo)致糟糕的結(jié)果。要時(shí)刻謹(jǐn)記，輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率將會(huì)影響示波器的顯示抖動(dòng)性能。所以，要為您的應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)姆群皖l率。

2) 選擇能將一千個(gè)周期的正弦波顯示在屏幕上的時(shí)間量程。

3) 選擇適合您的應(yīng)用的電壓量程。注意：屏幕上的信號(hào)幅度越大，就會(huì)使顯示抖動(dòng)越小。

4) 在與輸入信號(hào)相連的輸入通道上應(yīng)用FFT相位波形數(shù)學(xué)函數(shù)。

5) 關(guān)閉輸入通道的顯示，使之不會(huì)干擾FFT相位函數(shù)的直方圖測(cè)量結(jié)果。

6) 調(diào)整正弦波的水平標(biāo)度和位置，對(duì)輸入正弦波頻率附近的FFT相位函數(shù)進(jìn)行水平縮放。

7) 打開(kāi)FFT相位函數(shù)的垂直波形直方圖測(cè)量結(jié)果，調(diào)整其測(cè)量窗口，使其能夠計(jì)算出一個(gè)頻率分量的分布。

8) 如有必要，通過(guò)調(diào)整FFT相位函數(shù)的垂直標(biāo)度來(lái)對(duì)它進(jìn)行垂直縮放，以確保足夠的直方圖分辨率。在這一點(diǎn)上，您的屏幕看起來(lái)就會(huì)類似圖5。

9) 使用公式(3)將直方圖的標(biāo)準(zhǔn)偏移值從相位轉(zhuǎn)換為時(shí)間。結(jié)果就是示波器的顯示抖動(dòng)。

結(jié)束語(yǔ)

我們生活在一個(gè)嶄新的世界，變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生。適者生存，只有不斷地對(duì)技術(shù)進(jìn)行鉆研才能免遭淘汰。最新示波器技術(shù)現(xiàn)已超越傳統(tǒng)儀器，以往那些觸發(fā)技術(shù)指標(biāo)也已過(guò)時(shí)。示波器技術(shù)指標(biāo)需要一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，新的標(biāo)準(zhǔn)將可使用更精確、更多類型的信號(hào)。抖動(dòng)測(cè)量技術(shù)已發(fā)展為一項(xiàng)可在任何一款示波器上使用的技術(shù)，并且具有優(yōu)異的精度。現(xiàn)在是該考慮顯示器抖動(dòng)的最佳時(shí)刻!