數(shù)字示波器的信號保真度探析

前言

現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)面臨越來越多的挑戰(zhàn)。在數(shù)字領(lǐng)域，電路的集成規(guī)模越來越大，IO數(shù)量越來越多，單板互連密度不斷加大；同時(shí)芯片內(nèi)和芯片外時(shí)鐘速率越來越高，信號邊沿越來越快；新技術(shù)不斷出現(xiàn)，如：PCI Express，Serial ATA，1394B，F(xiàn)ibre Channel，Rapid IO，XAUI，5G~6.25G高速背板等，這樣系統(tǒng)和板級的高速問題，信號完整性問題，電磁兼容問題更加突出。在射頻、微波領(lǐng)域，新技術(shù)的出現(xiàn)、頻寬的擴(kuò)展，如：UWB，高精度、寬頻雷達(dá)，給我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來越來越多的挑戰(zhàn)。

示波器作為最常用的測試分析工具，也得到了長足的發(fā)展。示波器的發(fā)展有兩個(gè)趨勢，其一是性能的提升。自從Agilent在20世紀(jì)80年代推出數(shù)字示波器后，數(shù)字示波器不斷發(fā)展，從上百兆發(fā)展到上千兆，再發(fā)展到6GHz帶寬、20GSa/s的采樣率，一直到現(xiàn)在的高達(dá)13GHz帶寬、40GSa/s實(shí)時(shí)采樣速率的超高性能示波器，示波器的性能上獲得了跳躍的發(fā)展。另一方面，隨著Windows操作系統(tǒng)在示波器上的應(yīng)用，示波器的可用性和軟件分析能力也獲得了巨大的發(fā)展，比如現(xiàn)在的示波器大多采用開放的Windows XP Pro操作系統(tǒng)，配備多種測試分析軟件，如：抖動測試分析軟件，串行數(shù)據(jù)測試分析軟件，PCI Express等一致性測試分析軟件，能夠把示波器的分析從時(shí)域擴(kuò)展到頻域、解調(diào)域、數(shù)字域的矢量信號分析軟件89601等，這成為數(shù)字示波器的另一發(fā)展趨勢。

而衡量數(shù)字示波器的指標(biāo)很多，不免讓人分不清主次，實(shí)際上最主要的但卻較抽象的衡量標(biāo)準(zhǔn)是信號保真度（Signal Fidelity），信號保真度簡單說就是示波器顯示的波形和被測波形的一致性。因?yàn)椴ㄐ螐谋粶y點(diǎn)到顯示在示波器的屏幕上要經(jīng)過數(shù)字示波器的各個(gè)環(huán)節(jié)，而每一環(huán)節(jié)都有可能對信號產(chǎn)生影響，因而數(shù)字示波器要實(shí)現(xiàn)高的保真度是一件比較困難的事。示波器影響信號保真度的幾個(gè)主要因素由圖1所示：探頭連接部分帶寬，探頭帶寬，示波器帶寬和頻響，示波器采樣率。示波器系統(tǒng)的信號保真能力或叫系統(tǒng)帶寬由鏈路中的最弱環(huán)節(jié)決定，比如一個(gè)6GHz帶寬，20GSa/s采樣率的示波器如果配備3.5GHz帶寬的探頭系統(tǒng)，那么整個(gè)示波器系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬最多只有3.5GHz。下面從這幾個(gè)方面探悉數(shù)字示波器的信號保真度。

圖1：影響示波器信號保真度的幾個(gè)因素

探頭系統(tǒng)

提到示波器不得不提到示波器的探頭系統(tǒng)（包括探頭連接附件和探頭本身），是探頭系統(tǒng)把被測電路的信號引入到示波器內(nèi)部，如圖2所示。這樣探頭系統(tǒng)的好壞直接決定了引入到示波器內(nèi)的信號與本身信號的一致性，而同時(shí)探頭系統(tǒng)也成為了被測電路的一部分，有一定的負(fù)載效應(yīng)，探頭的負(fù)載特性表現(xiàn)在三個(gè)方面：探頭的輸入電阻，電容和電感。

圖2：探頭是連接被測電路與示波器的橋梁

探頭的輸入電阻會影響被測信號的幅度和直流偏置，因?yàn)樘筋^輸入電阻有分壓作用。如果要求幅度測試誤差小于10%，則探頭的輸入電阻要求大于10倍的被測源電阻。探頭的輸入電容會影響被測信號的邊沿和傳輸延時(shí)，邊沿的影響因子為2.2RC（R為探頭的輸入電阻和被測源電阻的并聯(lián)值，C為探頭的輸入電容值）。探頭的電感效應(yīng)主要由接地引線所引起，一般接地引線1mm能夠產(chǎn)生1nH的電感值，對信號的影響主要是示波器顯示的信號有振鈴現(xiàn)象。

探頭分為有源探頭和無源探頭，無源探頭分為低阻無源探頭和高阻無源探頭，高阻無源探頭應(yīng)用較廣，但是帶寬一般限制在600MHz以內(nèi)，輸入電阻和輸入電容都較大?，F(xiàn)在數(shù)字信號的信號速率越來越高，很多超過千兆的信號，這些信號的測試需要高帶寬的有源探頭，對差分信號還需要有源差分探頭。有源探頭里面有放大器，輸入電容能夠做到很?。ū热缧∮?pf），輸入電阻也能夠做到幾十K歐姆，這樣可以保證對被測信號影響足夠小。有源探頭的連接部分是非常關(guān)鍵的，會對探頭系統(tǒng)的性能有很大的影響，為此一些特殊設(shè)計(jì)的有源探頭橫空出世，比如獲得EDN雜志年度產(chǎn)品創(chuàng)新大獎的InfiniiMax探頭系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了各種連接附件，SMA差分連接、點(diǎn)測、插孔、焊接等確保探測的靈活性和可靠性，同時(shí)每種附件可以保證足夠高的帶寬，連接附件的帶寬竟然可以達(dá)到12GHz，如圖3所示。

圖3：InfiniiMax探頭系統(tǒng)和一些連接附件

示波器帶寬和頻響

信號通過探頭系統(tǒng)進(jìn)入示波器以后，示波器哪些部分對信號保真度影響較大呢？圖4是數(shù)字示波器的參考體系結(jié)構(gòu)，信號進(jìn)入示波器后，首先是進(jìn)入衰減器，然后進(jìn)入前置放大器，他們協(xié)同工作，讓我們能夠很方便調(diào)整示波器的垂直分辨率。當(dāng)然衰減器之前還有繼電器，在起動示波器時(shí)以及按自動設(shè)置和調(diào)整垂直分辨率時(shí)作為快速切換校準(zhǔn)使用。

示波器繼電器現(xiàn)在有兩種技術(shù)，一種是電子繼電器，一種是機(jī)械繼電器。使用機(jī)械繼電器的示波器需要注意一點(diǎn)，當(dāng)按自動設(shè)置鍵或調(diào)整垂直分辨率時(shí)，繼電器開關(guān)切換，很有可能向示波器端口反向輸出負(fù)脈沖，幅度可以達(dá)到-15V，如果直接用電纜連接到電路上，這對被測電路可能有很大的傷害。電子繼電器是一種新技術(shù)，解決了這方面的問題。判斷一臺示波器是使用電子繼電器還是使用機(jī)械繼電器，其實(shí)非常簡單，只要按自動設(shè)置鍵(Autoset或Autoscale)，聽一下有沒有“啪”“啪”“啪”的聲音即可，有聲音則是機(jī)械繼電器，無聲音則是電子繼電器。

圖4：數(shù)字示波器參考體系結(jié)構(gòu)

我們所說的示波器的模擬帶寬指的是前置放大器的帶寬。示波器的帶寬是這樣定義的，放大器的頻響曲線滾降到-3dB處的頻點(diǎn)，就是示波器的-3dB帶寬，簡稱帶寬。所以一臺6GHz帶寬的示波器測量一個(gè)6GHz的正弦波，幅度一定會降低到-3dB（約降低30%）。而且，你會發(fā)現(xiàn)不僅僅在帶寬處會降低幅度，低于帶寬處也可能會影響幅度。為此，現(xiàn)代高帶寬數(shù)字示波器主要有兩種頻響方式，如圖5所示，一種是傳統(tǒng)的高斯頻響方式，一種是Flat頻響方式。傳統(tǒng)的高斯頻響方式，在-3dB帶寬內(nèi)對信號頻譜有一定的影響，在-3dB帶寬外，會拖出一個(gè)較長的尾巴，這樣使得后面的ADC需要更高的采樣率才能確保不發(fā)生頻率混疊。Flat頻響方式有一定的改進(jìn)，在-3dB帶寬內(nèi)對信號的頻譜幅度影響相對較小，而在-3dB帶寬外，留的尾巴相對較少，當(dāng)然Flat頻響還不能達(dá)到磚墻頻響的理想境界，但是已經(jīng)是很大提高了。

圖5：傳統(tǒng)示波器的高斯頻響方式與Infiniium示波器的Flat頻響方式