數字示波器的信號保真度探析

前言

現代電子設計面臨越來越多的挑戰(zhàn)。在數字領域，電路的集成規(guī)模越來越大，IO數量越來越多，單板互連密度不斷加大；同時芯片內和芯片外時鐘速率越來越高，信號邊沿越來越快；新技術不斷出現，如：PCI Express，Serial ATA，1394B，Fibre 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、微波領域，新技術的出現、頻寬的擴展，如：UWB，高精度、寬頻雷達，給我們的系統(tǒng)設計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)展有兩個趨勢，其一是性能的提升。自從Agilent在20世紀80年代推出數字示波器后，數字示波器不斷發(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，一直到現在的高達13GHz帶寬、40GSa/s實時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，串行數據測試分析軟件，PCI Express等一致性測試分析軟件，能夠把示波器的分析從時域擴展到頻域、解調域、數字域的矢量信號分析軟件89601等，這成為數字示波器的另一發(fā)展趨勢。

而衡量數字示波器的指標很多，不免讓人分不清主次，實際上最主要的但卻較抽象的衡量標準是信號保真度（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。因為波形從被測點到顯示在示波器的屏幕上要經過數字示波器的各個環(huán)節(jié)，而每一環(huán)節(jié)都有可能對信號產生影響，因而數字示波器要實現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)，那么整個示波器系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬最多只有3.5GHz。下面從這幾個方面探悉數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的信號與本身信號的一致性，而同時探頭系統(tǒng)也成為了被測電路的一部分，有一定的負載效應，探頭的負載特性表現在三個方面：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，因為探頭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，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）。探頭的電感效應主要由接地引線所引起，一般接地引線1mm能夠產生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，高阻無源探頭應用較廣，但是帶寬一般限制在600MHz以內，輸入電阻和輸入電容都較大?，F在數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小（比如小于1pf），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，為此一些特殊設計的有源探頭橫空出世，比如獲得EDN雜志年度產品創(chuàng)新大獎的InfiniiMax探頭系統(tǒng)，設計了各種連接附件，SMA差分連接、點測、插孔、焊接等確保探測的靈活性和可靠性，同時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是數字示波器的參考體系結構，信號進入示波器后，首先是進入衰減器，然后進入前置放大器，他們協(xié)同工作，讓我們能夠很方便調整示波器的垂直分辨率。當然衰減器之前還有繼電器，在起動示波器時以及按自動設置和調整垂直分辨率時作為快速切換校準使用。

示波器繼電器現在有兩種技術，一種是電子繼電器，一種是機械繼電器。使用機械繼電器的示波器需要注意一點，當按自動設置鍵或調整垂直分辨率時，繼電器開關切換，很有可能向示波器端口反向輸出負脈沖，幅度可以達到-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，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械繼電器，其實非常簡單，只要按自動設置鍵(Autoset或Autoscale)，聽一下有沒有“啪”“啪”“啪”的聲音即可，有聲音則是機械繼電器，無聲音則是電子繼電器。

圖4：數字示波器參考體系結構

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，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，現代高帶寬數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帶寬內對信號頻譜有一定的影響，在-3dB帶寬外，會拖出一個較長的尾巴，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，在-3dB帶寬內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，當然Flat頻響還不能達到磚墻頻響的理想境界，但是已經是很大提高了。

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