示波器反應特性解讀
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示波器反應特性解讀  2012/3/1
示波器的反應特性會對信號的波形有所影響,并改變信號上升時間的計算。當Pentium 4進千兆赫時代后,Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續超越了Gbps,選擇適當的探針當然是一件重要的事,但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。  測量波形從輸入連接器經過采樣和信號處理顯示在屏幕上,同時保存數據。一旦選擇了不適當的示波器,波形就可能變形。尤其在測量像PCI Express高速串行接口的波形時,不僅要衡量采樣頻

示波器的反應特性會對信號的波形有所影響,并改變信號上升時間的計算。當Pentium 4進千兆赫時代后,Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續超越了Gbps,選擇適當的探針當然是一件重要的事,但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。

測量波形從輸入連接器經過采樣和信號處理顯示在屏幕上,同時保存數據。一旦選擇了不適當的示波器,波形就可能變形。尤其在測量像PCI Express高速串行接口的波形時,不僅要衡量采樣頻率及帶寬,還必須對示波器的反應特性有所認知。比如,在測量非常陡峭的信號變化時,會因為示波器反應特性的差異而有所不同。

反應系統分為兩大類

示波器的反應特性泛指從輸入端的連接頭到畫面顯示整個測量系統的“傳遞特性”。通常可以分為高斯(Gaussian Response)型反應系統和磚墻(Brick-wall Response)型反應系統兩大類。磚墻型反應系統也稱平坦反應型(Flat Response)。

要區分或比較這兩類系統的差異,最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及0;步級(Step)波形的反應”這兩個基本參數。

常用的模擬示波器屬于高斯型反應系統,其頻率特性會在右肩端緩慢下滑,而步級波形的輸入即使再陡峭,也不容易產生波形失真,即不會產生步級波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形后的過沖(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現象。在測量短過渡時間的數字電路信號時,這是很理想的特性。

模擬示波器必須將輸入端輸入的數mV微小電壓信號經過幾級的放大電路,變換成數百mV的電壓,以確保足夠驅動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的。

而在測量高速串行接口的波形時,一般采用實時采樣方式的寬帶數字示波器,這類示波器多采用磚墻反應型的應答系統。

磚墻反應型的應答特性又稱“最高平坦應答”,在頻帶內頻率響應極為平坦,而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時,信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性,在頻帶內的信號振幅是不會有衰減現象發生的。超過頻帶之外,信號振幅就成為零。

與高斯反應示波器相比,磚墻反應型示波器還是有幾個缺點:

對于輸入步級波形的反應,容易出現前沖或過沖波形

示波器上升時間較長,換言之,就是反應比較慢

這里所說的示波器上升時間,是指步級輸入對應到輸出波形的上升時間。這個時間越短,代表示波器越能忠實地展現出從輸入連接器端測量到的波形。因此,示波器上升時間就是其高頻特性的代名詞。同時,數字信號的上升時間,一般是指從低位階遷移到高位階的時間。通常指信號位階10%~90%的上升遷移時間,而對于高速數字通信來說,大多是指20%~80%的時間遷移。

下面這兩個數學式可用來估算磚墻反應型及高斯反應型示波器的上升時間:

磚墻反應型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz)

高斯反應型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz),理想上應該是0.338/帶寬(GHz)

舉例來說,一個帶寬為6GHz的示波器,高斯反應型示波器的上升時間約為58ps,而在目前主流的同等帶寬磚墻反應型示波器的上升時間約為70ps。

盡管磚墻反應型示波器的上升時間略遜一籌,實時采樣的寬帶數字示波器機種主要還是采用磚墻反應型的應答特性。仔細探究起來,主要的內在理由有二。其一,是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差,因為高斯反應型示波器在頻帶內的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方面的優劣。假設輸入信號帶寬為1GHz,采樣頻率4GHz,由圖2所示可看出,高斯反應型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑,尤其在超過帶寬1/3的頻帶領域,波形明顯衰減,即信號誤差大。

提高采樣頻率 抑制混淆現象

高速數字示波器選用磚墻反應型的另外一個重要原因,是要回避或盡量減小圖形混淆(Aliasing)現象。使用數字示波器測量高速信號時,會產生圖形混淆現象,主要因為在重現采樣的高速信號時,某些信號混入了不必要的波形。這些混入的信號頻率成分會對原來的信號波形造成失真,嚴重的話還會引起測量誤差。

圖形混淆現象多數發生在模擬數字轉換器的連續信號中,含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分,也就是采樣頻率的二分之一。這個成分在尼奎斯特頻率領域內折返,出現在示波器測量帶寬內。從頻率特性圖中可以清楚看出,磚墻反應型示波器的圖形混淆影響微乎其微。

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