数字示波器的反应特性

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数字示波器的反应特性
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PCIExpress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。

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