數(shù)字示波器的反應特性數(shù)字示波器的反應特性

時間：2018-10-10作者：北京凡實測控技術有限公司瀏覽：93

數(shù)字示波器的反應特性
高速數(shù)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(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。
      圖形混淆現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在模擬數(shù)字轉換器的連續(xù)信號中，含有追趕尼奎斯特(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(nèi)折返，出現(xiàn)在示波器測量帶寬內(nèi)。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。
      同樣條件下，能夠明顯看出追趕尼奎斯特頻率2GHz的領域中，幾乎沒有信號，可以抑制混淆現(xiàn)象的發(fā)生。
      另外，如果以20GHz、10GHz與5GHz三種不同的采樣頻率測量一個周期2.2ns、上升時間約90ps的波形，會得到不一樣的結果。采樣頻率越低，上升時間的實際測量值越長，波形越不能忠實地呈現(xiàn)。
      目前高速串行接口測量所使用的實時采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機種所搭載模擬數(shù)字轉換器的采樣頻率高達20GHz左右。一般為了降低圖形混淆現(xiàn)象發(fā)生，高斯反應型示波器采樣頻率需是輸入信號的4～6倍，而磚墻反應型示波器僅需2.5倍。
      通常情況頻帶都**1GHz，因此大多采用高斯型反應系統(tǒng)，而**1GHz的儀器則大多采用磚墻反應型系統(tǒng)。表2所示是兩種反應型示波器的優(yōu)缺點對比。
      根據(jù)性能要求選擇示波器
      那么，如何來選擇較適合的示波器呢？有4個簡單的步驟：
      算出測量信號的較高頻率成分fmax。即信號頻率成分的上限，可以通過測定信號的上升時間計算出來。假設上升時間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號上升時間)的數(shù)學式估算其約略值，而非直接從數(shù)據(jù)傳輸速率來估算。以當紅的*三代總線PCIExpress來說，多數(shù)情況下其上升時間約為100ps。
      選擇示波器的反應特性。即在高斯型反應系統(tǒng)與磚墻反應型系統(tǒng)內(nèi)選擇一個合適的，一般測量高速串行接口或總線的應用多數(shù)選擇后者。
      必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時間的測量誤差有關。有一家儀器公司做過仿真的實驗：若磚墻反應型系統(tǒng)允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來計算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來計算；20%的容許誤差時，則用(1.0×fmax)來計算。
      估算較低的采樣頻率值。該數(shù)值會利用到上面的帶寬值，就磚墻反應型示波器來說，較低需要(2.5×帶寬)。
      利用上面四點可以說明一個案例：上升時間100ps的數(shù)字信號，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應型示波器，假定上升時間的誤差局限于3%，那么輸入信號的帶寬為5.6GHz，因此，采樣頻率較低也需要14GHz。
      若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應系統(tǒng)時，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測量的信號上升時間為220ps，與磚墻反應型系統(tǒng)比差了一半。有些寬帶實時示波器依賴數(shù)字信號處理的活用，來實現(xiàn)磚墻反應型系統(tǒng)的特性。畢竟，單靠電路技術很難實現(xiàn)理想的特性。
      總之，帶寬及采樣頻率的合適與否，是選擇昂貴示波器時的重要指針。此外，理解測試儀器的特性，也是掌握正確測定的關鍵要素。


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