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全新示波器构架为脉冲测量带来技术提升
作者:力科公司 张鹏    来源:电子设计应用2009年第12期 
 
      

脉冲信号对示波器带宽要求提高

随着脉冲信号上升沿的加快,信号所包含的谐波成分也越来越丰富。对于同一个脉冲信号,使用不同带宽的示波器所测量出的结果可能是不同的。例如,在一些脉冲测量中,使用1G带宽的示波器测量到的脉冲幅度可能仅为使用6G示波器测量值的一半。

今天的脉冲信号上升时间越来越短,有的已经达到几十皮秒的量级。如此快的上升沿将覆盖更宽的频谱范围,要对其进行有效测量,自然也就要求示波器拥有更高的模拟带宽。对于具体需要多高带宽的示波器进行测量的问题,可以根据示波器上升时间与被测脉冲信号上升时间之间的关系来衡量。如果以T(scope)代表示波器10%~90%上升时间,以T(signal)代表所测量脉冲信号的上升时间,那么两者之间的比例即T(scope)/T(signal)与脉冲信号测量精度将基本满足表1所列内容。


从表1中可以看出,为了使脉冲测量精度达到5%以上,应使示波器的上升时间小于脉冲上升时间1/3以上。例如,对上升时间在100ps以内的脉冲信号进行测量,示波器的上升时间应控制在30ps以内。示波器的带宽越高,其对应的上升时间越短。对高带宽实时数字示波器而言,两者的乘积在0.35~0.51之间。30ps以内的上升时间将要求示波器带宽达到16GHz以上。如果对上升时间50ps以内的脉冲信号测量,则要求示波器的10%~90%上升时间必须控制在17ps以内,对应的示波器带宽将达到25GHz或更高。

对脉冲信号进行精确测量,除了要求示波器有足够的带宽以外,还要求示波器通道的频响曲线在不同垂直刻度设置下有良好的稳定度及一致性。目前,已经具有能满足这种带宽与频响曲线的示波器,如力科8Zi系列。

实时采样率

对脉冲信号进行精确测量,除了要求示波器有足够的带宽与良好的频响性能以外,示波器的实时采样率也同样是至关重要的指标。足够的带宽与良好的频响可以保证脉冲信号有更多的频谱分量无失真地通过示波器,除此以外,在极短的脉冲上升沿上能否采集到足够多的样点,将直接影响到恢复波形的质量及后期对信号进行测量与分析的精度。一般情况下,应该保证在信号上升沿上至少采集3~4个样点,这样才能比较客观恢复出脉冲信号的真实波形并加以测量。例如,对上升时间100ps的脉冲信号,应该至少使用30GS/s的采样率对信号进行采集;而对于上升时间50ps以内的脉冲信号,则至少要求示波器的实时采样率达到60GHz以上。

示波器实时采样的工作细节将在很大程度上影响到信号采集的保真度。由于示波器架构及所使用的ADC芯片的差异,不同品牌的示波器在实际采样时的架构是不同的。有的示波器在一路通道里使用多颗低采样率的芯片分时复用,间隔采样后再将样点叠加从而达到标称的高采样率。例如在一条模拟通道中使用8颗6.25GS/s低采样率芯片叠加,从而达到标称的50GS/s最高采样率。

采用多颗低采样率芯片叠加采样的示波器架构在对高速信号包括脉冲信号测量时,由于每颗芯片存在固有的个体差异,如果叠加的芯片过多,将不可避免地引入更多的冲击电平噪声与误差,从而直接影响波形恢复的质量与测量精度。

如图1所示,力科WavePro7Zi及WaveMaster8Zi系列示波器使用了全新的示波器架构,每颗采样芯片均可提供最高40GS/s的采样率,在最高80GS/s采样时仅通过两颗芯片协同工作即可完成。这样的示波器架构可避免多颗芯片间隔采样带来的冲击电平噪声,保证高采样时的信号一致性。


脉冲响应方式

高带宽数字示波器都会采取某种脉冲响应优化方式去降低幅频响应或相频响应对被测信号的负面效应,最广泛的脉冲响应方式有三种,分别为Pulse Mode、Eye Mode和Flatness Mode,如图2所示。



每种脉冲响应方式均由不同的幅频响应及相频响应方式组合而来,对同样的阶跃脉冲信号,不同的响应方式将恢复出不同的信号波形。例如,采用Pulse Mode恢复出的波形与模拟示波器的测量效果最为接近,因为其采用的幅频响应更为平缓,同时其相频响应也是因果有界的;采用Flatness Mode恢复出的波形其上升时间最短,但波形中同时包含了更多的过冲成分。

这三种脉冲响应方式不存在哪个更好的问题,而是分别与不同信号的测试应用需求相适应。表2总结了三种脉冲响应方式的不同特点及其各自适用的领域。

具体到脉冲测量领域,如果更关心测量的脉冲上升时间,则应选择Flatness Mode;如果更关心信号的整体波形,则选择Pulse Mode更优。比较特别的是,WaveMaster8Zi系列示波器创新性地将三种响应方式纳入到一台示波器中,用户可根据具体的测试需求选择合适的脉冲响应方式。

电缆去嵌功能与通道校准

在使用示波器结合同轴电缆测量脉冲信号时,为保证测量的精确性与一致性,必须去除电缆的趋肤效应、介质损耗等。

电缆去嵌(cable de-embedding)能补偿电缆在全频段的损耗,使示波器的测量结果具有精确性和重复性,对于脉冲信号测试是十分必要的。WaveMaster8Zi系列示波器拥有电缆去嵌功能,在每个通道中均可选择是否激活此功能,如图3所示。


一般情况下,对示波器进行常规的时序校准时需要配备一台额外的波形发生器以及一分四功分器,将波形发生器发出的信号经过功分器之后同时输入示波器的四条模拟通道,最后进行通道校准。由于Zi系列示波器标配了快沿方波信号源并且可对该信号进行内部触发,用户仅需一根SMA电缆便可分别将示波器的四条模拟通道分别对该快沿脉冲信号进行校准,方便完成四条模拟通道之间的时序校准工作。

结语
对脉冲信号的测量能力在一定程度上显示了示波器的综合性能。力科Zi系列示波器的全新架构为脉冲信号的高保真测量带来了全面的技术提升与理想解决方案。

参考文献
1.  Adequate Bandwidth,Howard Johnson,LeCroy Corporation
2.  Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation
3.  Group_Delay-designcon_2006.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation

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