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示波器的兩種反應(yīng)特性
2012-08-25
示波器
工程人員在進行高速數(shù)字信號測量時，通常需要具備兩種測量技術(shù)的基礎(chǔ)知識。一個是理解有關(guān)探針(Probe)等測試附件的特性，另外一個就是要了解測試儀器本身，通常就是指示波器(Oscilloscope)的頻率反應(yīng)特性。
下面就來探討示波器的兩種反應(yīng)特性及不同反應(yīng)特性對系統(tǒng)的影響和區(qū)分。示波器的反應(yīng)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(xù)超越了Gbps，選擇適當?shù)奶结槷斎皇且患匾氖拢x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(jīng)過采樣和信號處理顯示在屏幕上，同時保存數(shù)據(jù)。一旦選擇了不適當?shù)?a href="http://www.kafenchem.com">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(yīng)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(yīng)特性的差異而有所不同。反應(yīng)系統(tǒng)分為兩大類 示波器的反應(yīng)特性泛指從輸入端的連接頭到畫面顯示整個測量系統(tǒng)的“傳遞特性”。通常可以分為高斯(Gaussian Response)型反應(yīng)系統(tǒng)和磚墻(Brick-wall Response)型反應(yīng)系統(tǒng)兩大類。磚墻型反應(yīng)系統(tǒng)也稱平坦反應(yīng)型(Flat Response)。 要區(qū)分或比較這兩類系統(tǒng)的差異，最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(Step)波形的反應(yīng)”這兩個基本參數(shù)。
常用的模擬示波器屬于高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，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(chǎn)生波形失真，即不會產(chǎn)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(xiàn)象。在測量短過渡時間的數(shù)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(shù)mV微小電壓信號經(jīng)過幾級的放大電路，變換成數(shù)百mV的電壓，以確保足夠驅(qū)動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應(yīng)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(shù)字示波器，這類示波器多采用磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答系統(tǒng)。 磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答特性又稱“最高平坦應(yīng)答”，在頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)極為平坦，而到了頻帶外的轉(zhuǎn)降(Roll-Off)時，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內(nèi)的信號振幅是不會有衰減現(xiàn)象發(fā)生的。超過頻帶之外，信號振幅就成為零。 與高斯反應(yīng)示波器相比，磚墻反應(yīng)型示波器還是有幾個缺點： 對于輸入步級波形的反應(yīng)，容易出現(xiàn)前沖或過沖波形 示波器上升時間較長，換言之，就是反應(yīng)比較慢 這里所說的示波器上升時間，是指步級輸入對應(yīng)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(xiàn)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(shù)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(shù)字通信來說，大多是指20%～80%的時間遷移。
下面這兩個數(shù)學(xué)式可用來估算磚墻反應(yīng)型及高斯反應(yīng)型示波器的上升時間： 磚墻反應(yīng)型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz) 高斯反應(yīng)型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應(yīng)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(yīng)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(yīng)型示波器的上升時間約為70ps。 盡管磚墻反應(yīng)型示波器的上升時間略遜一籌，實時采樣的寬帶數(shù)字示波器機種主要還是采用磚墻反應(yīng)型的應(yīng)答特性。仔細探究起來，主要的內(nèi)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(yīng)型示波器在頻帶內(nèi)的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應(yīng)圖可以看出它們在這方面的優(yōu)劣。假設(shè)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(yīng)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(lǐng)域，波形明顯衰減，即信號誤差大。提高采樣頻率 抑制混淆現(xiàn)象 高速數(shù)字示波器選用磚墻反應(yīng)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(xiàn)象。使用數(shù)字示波器測量高速信號時，會產(chǎn)生圖形混淆現(xiàn)象，主要因為在重現(xiàn)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。
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