觸發(fā)抖動測量的演進

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)抖動都是一個最常見的性能指標。不錯，自從示波器中應(yīng)用了觸發(fā)電路以后，觸發(fā)抖動就一直存在。而且，測量方法也很簡單。不過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，我們過去一直用來測量觸發(fā)抖動的技術(shù)受到了示波器中其它誤差的嚴重影響。

圖1. 使用水平波形直方圖進行傳統(tǒng)的觸發(fā)抖動測量。

理論上，我們都希望示波器的性能指標能夠區(qū)分垂直誤差和水平誤差。這一點很重要，因為這兩種不同的誤差會對波形測量造成不同的影響。對于噪聲和抖動來說，我們希望能夠測量示波器添加到顯示波形的垂直噪聲，并對示波器添加到顯示波形的水平抖動進行獨立測量。為將這些特征與稍后將要討論的其他特征加以區(qū)分，我們將這兩個特征分別稱為顯示噪聲和顯示抖動。

在進行深入探討之前，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化抖動模型。注意，該模型僅適用于重復(fù)采樣示波器和實時示波器。當然，為了便于理解顯示噪聲和顯示抖動，實際的示波器電路中有很多獨立的噪聲源和抖動源都可歸入這三種類型。

圖2. 示波器的簡化模型。

從這個模型可以清楚地看到，顯示抖動實際上是兩個誤差源(觸發(fā)噪聲源和觸發(fā)抖動源)共同作用的結(jié)果。也許您之前從未考慮過觸發(fā)電路中的輸入?yún)⒖荚肼?，但實際上應(yīng)該考慮到這些因素。當瞬變信號越過選定的電壓閾值時，觸發(fā)電路就會檢測到這一變化。輸入信號的任何電壓誤差(噪聲)都會引起輸出信號的定時誤差(抖動)。區(qū)分觸發(fā)抖動和觸發(fā)噪聲非常重要，因為觸發(fā)噪聲對顯示抖動的影響取決于輸入信號的轉(zhuǎn)換速率，而觸發(fā)抖動則不然。觸發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動通常都是獨立的誤差源，所以它們對顯示抖動的影響可用公式(1)表示。

公式(1)表明觸發(fā)抖動實際上只是我們在示波器顯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，所以我們在示波器技術(shù)資料中應(yīng)該公布顯示抖動，而不只是觸發(fā)抖動。

不過，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)就會很方便。因為顯示噪聲容易測量，而且通常都已經(jīng)公布在技術(shù)資料中了。

不過，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示波器上測得的顯示抖動與轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系圖。圖中最高轉(zhuǎn)換速率點對應(yīng)的是正弦波輸入信號的半屏的峰峰值，頻率為示波器的最大帶寬。注意，顯示抖動主要依賴于信號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)噪聲來決定。否則，它就會在高于某個轉(zhuǎn)換速率的觸發(fā)抖動值處趨于平穩(wěn)。

圖3 . 在Infiniium 80304示波器上測得的顯示抖動與轉(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)抖動測量的實例。我們的方法是測量觸發(fā)信號越過觸發(fā)閾值的那些時間值的分布。根據(jù)前面的討論，顯然我們真正應(yīng)該測量的是顯示抖動，因為它包括了觸發(fā)噪聲和觸發(fā)抖動兩方面的影響。

那么，使用這種技術(shù)來測量顯示抖動有那些不足之處呢?我們的目標是測量顯示波形的水平抖動，而它與垂直噪聲無關(guān)。不過，這種測量結(jié)果正和觸發(fā)電路相似。測得的閾值跨越的時間值會被垂直噪聲所干擾。

數(shù)十年來，我們確實一直在使用這種技術(shù)，并且欣喜的發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)什么問題(或者至少我們沒有注意到)，但是某些情況已經(jīng)改變。事實上，有兩點已經(jīng)改變。一是我們設(shè)計低抖動觸發(fā)、時基和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的能力逐年提高，現(xiàn)在已達到顯示噪聲通常能夠決定顯示抖動的水平。另一個改變是突然發(fā)生的，也就是安捷倫新型 “無抖動”誤差校正技術(shù)的出現(xiàn)。“無抖動”不僅極大改善了Infiniium示波器的顯示抖動，同時也使得傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法再繼續(xù)使用。

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

圖4. 使用水平波形直方圖在采用“無抖動”技術(shù)的示波器上執(zhí)行傳統(tǒng)的觸發(fā)抖動測量。

請看一下，顯示波形是如何在觸發(fā)點上被壓縮成了一條非常細的線呢?這種現(xiàn)象正是我們在沒有顯示噪聲或顯示抖動的理想示波器上將會看到的(其中的具體原因，留給您下次在機場侯機等閑暇時間慢慢思考)。這并不是因為垂直噪聲和水平抖動都消失了，而是因為它們恰巧在觸發(fā)點處相互抵消。顯然，傳統(tǒng)的測量技術(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，我們需要的是一種新的測量技術(shù)，該技術(shù)要能確定與顯示的波形恰好相配的無噪聲輸入信號的水平位置。這聽起來很難，但我們只要把正弦波作為輸入信號，然后再經(jīng)過簡單的FFT運算，就能計算出我們需要的水平位置。結(jié)果是，每個FFT頻率分量的相位都等于正好與原始信號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的頻率決定的比例常數(shù)，將顯示波形的相位抖動從相位轉(zhuǎn)換為時間。

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

Agilent Infiniium示波器內(nèi)置有FFT相位波形運算函數(shù)，能夠非常容易地測量顯示抖動。以下是使用實時示波器的FFT相位函數(shù)測量顯示抖動的操作步驟：

1) 為示波器輸入一個理想的無抖動正弦波。也許，“理想”意味著要做許多工作，不過使用低相位噪聲源和窄帶通濾波器將會帶來導(dǎo)致糟糕的結(jié)果。要時刻謹記，輸入信號的轉(zhuǎn)換速率將會影響示波器的顯示抖動性能。所以，要為您的應(yīng)用選擇恰當?shù)姆群皖l率。

2) 選擇能將一千個周期的正弦波顯示在屏幕上的時間量程。

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

4) 在與輸入信號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，使之不會干擾FFT相位函數(shù)的直方圖測量結(jié)果。

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

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

8) 如有必要，通過調(diào)整FFT相位函數(shù)的垂直標度來對它進行垂直縮放，以確保足夠的直方圖分辨率。在這一點上，您的屏幕看起來就會類似圖5。

9) 使用公式(3)將直方圖的標準偏移值從相位轉(zhuǎn)換為時間。結(jié)果就是示波器的顯示抖動。

結(jié)束語

我們生活在一個嶄新的世界，變化無時無刻不在發(fā)生。適者生存，只有不斷地對技術(shù)進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)指標也已過時。示波器技術(shù)指標需要一個新的標準，新的標準將可使用更精確、更多類型的信號。抖動測量技術(shù)已發(fā)展為一項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?，F(xiàn)在是該考慮顯示器抖動的最佳時刻!