示波器的两种反应特性

工程人员在进行高速数字信号测量时，通常需要具备两种测量技术的基础知识。一个是理解有关探针(Probe)等测试附件的特性，另外一个就是要了解测试仪器本身，通常就是指示波器（Oscilloscope）的频率反应特性。下面就来探讨示波器的两种反应特性及不同反应特性对系统的影响和区分。
　　示波器的反应特性会对信号的波形有所影响，并改变信号上升时间的计算。当Pentium 4进千兆赫时代后，Serial ATA及PCI Express等高速接口或总线也陆续超越了Gbps，选择适当的探针当然是一件重要的事，但选择合适的示波器也是不可欠缺的工作。 　　测量波形从输入连接器经过采样和信号处理显示在屏幕上，同时保存数据。一旦选择了不适当的示波器，波形就可能变形。尤其在测量像PCI Express高速串行接口的波形时，不仅要衡量采样频率及带宽，还必须对示波器的反应特性有所认知。比如，在测量非常陡峭的信号变化时，会因为示波器反应特性的差异而有所不同。
　　反应系统分为两大类
　　示波器的反应特性泛指从输入端的连接头到画面显示整个测量系统的“传递特性”。通常可以分为高斯(Gaussian Response)型反应系统和砖墙(Brick-wall Response)型反应系统两大类。砖墙型反应系统也称平坦反应型(Flat Response)。
　　要区分或比较这两类系统的差异，最简单的方法就是看“-3dB频率特性”及“步级(Step)波形的反应”这两个基本参数。
　　常用的模拟示波器属于高斯型反应系统，其频率特性会在右肩端缓慢下滑，而步级波形的输入即使再陡峭，也不容易产生波形失真，即不会产生步级波形瞬间的前冲(Preshoot)、波形后的过冲(Overshoot)或波形上下震动的振铃(Ringing)等现象。在测量短过渡时间的数字电路信号时，这是很理想的特性。
　　模拟示波器必须将输入端输入的数mV微小电压信号经过几级的放大电路，变换成数百mV的电压，以确保足够驱动CRT显示。这些放大电路的频率反应特性正是高斯型的。
　　而在测量高速串行接口的波形时，一般采用实时采样方式的宽带数字示波器，这类示波器多采用砖墙反应型的应答系统。
　　砖墙反应型的应答特性又称“最高平坦应答”，在频带内频率响应极为平坦，而到了频带外的转降(Roll-Off)时，信号相当陡峭。像这样理想的频率特性，在频带内的信号振幅是不会有衰减现象发生的。超过频带之外，信号振幅就成为零。
　　与高斯反应示波器相比，砖墙反应型示波器还是有几个缺点：
　　对于输入步级波形的反应，容易出现前冲或过冲波形
　　示波器上升时间较长，换言之，就是反应比较慢
　　这里所说的示波器上升时间，是指步级输入对应到输出波形的上升时间。这个时间越短，代表示波器越能忠实地展现出从输入连接器端测量到的波形。因此，示波器上升时间就是其高频特性的代名词。同时，数字信号的上升时间，一般是指从低位阶迁移到高位阶的时间。通常指信号位阶10%～90%的上升迁移时间，而对于高速数字通信来说，大多是指20%～80%的时间迁移。
　　下面这两个数学式可用来估算砖墙反应型及高斯反应型示波器的上升时间：
　　砖墙反应型示波器的上升时间(ns)=0.45/带宽(GHz)
　　高斯反应型示波器的上升时间(ns)=0.35/带宽(GHz)，理想上应该是0.338/带宽(GHz)
　　举例来说，一个带宽为6GHz的示波器，高斯反应型示波器的上升时间约为58ps，而在目前主流的同等带宽砖墙反应型示波器的上升时间约为70ps。
　　尽管砖墙反应型示波器的上升时间略逊一筹，实时采样的宽带数字示波器机种主要还是采用砖墙反应型的应答特性。仔细探究起来，主要的内在理由有二。其一，是要回避输入信号与输出信号电压振幅的误差，因为高斯反应型示波器在频带内的振幅误差太大。从图2所示两种示波器的频率响应图可以看出它们在这方面的优劣。假设输入信号带宽为1GHz，采样频率4GHz，由图2所示可看出，高斯反应型示波器的频率特性在右肩缓慢下滑，尤其在超过带宽1/3的频带领域，波形明显衰减，即信号误差大。
　　提高采样频率 抑制混淆现象
　　高速数字示波器选用砖墙反应型的另外一个重要原因，是要回避或尽量减小图形混淆(Aliasing)现象。使用数字示波器测量高速信号时，会产生图形混淆现象，主要因为在重现采样的高速信号时，某些信号混入了不必要的波形。这些混入的信号频率成分会对原来的信号波形造成失真，严重的话还会引起测量误差。
　　图形混淆现象多数发生在模拟数字转换器的连续信号中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)频率的成分，也就是采样频率的二分之一。这个成分在尼奎斯特频率领域内折返，出现在示波器测量带宽内。从频率特性图中可以清楚看出，砖墙反应型示波器的图形混淆影响微乎其微。
　　同样条件下，能够明显看出超越尼奎斯特频率2GHz的领域中，几乎没有信号，可以抑制混淆现象的发生。
　　另外，如果以20GHz、10GHz与5GHz三种不同的采样频率测量一个周期2.2ns、上升时间约90ps的波形，会得到不一样的结果。采样频率越低，上升时间的实际测量值越长，波形越不能忠实地呈现。
　　目前高速串行接口测量所使用的实时采样宽带数字示波器，高性能的机种所搭载模拟数字转换器的采样频率高达20GHz左右。一般为了降低图形混淆现象发生，高斯反应型示波器采样频率需是输入信号的4～6倍，而砖墙反应型示波器仅需2.5倍。
　　通常情况频带都低于1GHz，因此大多采用高斯型反应系统，而高于1GHz的仪器则大多采用砖墙反应型系统。表2所示是两种反应型示波器的优缺点对比。
　　根据性能要求选择示波器
　　那么，如何来选择最适合的示波器呢?有4个简单的步骤：
　　算出测量信号的最高频率成分fmax。即信号频率成分的上限，可以通过测定信号的上升时间计算出来。假设上升时间由20%迁移到80%，可利用(0.4/信号上升时间)的数学式估算其约略值，而非直接从数据传输速率来估算。以当红的第三代总线PCI Express来说，多数情况下其上升时间约为100ps。
　　选择示波器的反应特性。即在高斯型反应系统与砖墙反应型系统内选择一个合适的，一般测量高速串行接口或总线的应用多数选择后者。
　　必须把握必要的输入带宽。它与上升时间的测量误差有关。有一家仪器公司做过仿真的实验：若砖墙反应型系统允许3%的误差，带宽可以用(1.4×fmax)来计算；误差若抑制在10%，用(1.2×fmax)来计算；20%的容许误差时，则用(1.0×fmax)来计算。
　　估算最低的采样频率值。该数值会利用到上面的带宽值，就砖墙反应型示波器来说，最低需要(2.5×带宽)。
　　利用上面四点可以说明一个案例：上升时间100ps的数字信号，其fmax为4GHz，选择砖墙反应型示波器，假定上升时间的误差局限于3%，那么输入信号的带宽为5.6GHz，因此，采样频率最低也需要14GHz。
　　若采样频率14GHz应用在高斯型反应系统时，输入的带宽就变成3.5GHz，可以测量的信号上升时间为220ps，与砖墙反应型系统比差了一半。有些宽带实时示波器依赖数字信号处理的活用，来实现砖墙反应型系统的特性。毕竟，单靠电路技术很难实现理想的特性。
　　总之，带宽及采样频率的合适与否，是选择昂贵示波器时的重要指针。此外，理解测试仪器的特性，也是掌握正确测定的关键要素。