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數(shù)字示波器選購技巧
2012-03-20
長(zhǎng)沙艾克塞普儀器公司首席應(yīng)用工程師Tony.Li針對(duì)時(shí)下示波器品牌眾多，示波器型號(hào)以及性能千差萬別，不同示波器價(jià)格相差 巨大，特編輯本文選購技巧，為將購買示波器的工程師做參考。便于工程師更加有針對(duì)性的選擇一款最適合的數(shù)字示波器。
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(gè)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(cè)量高速信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖形混淆現(xiàn)象，主要因?yàn)樵谥噩F(xiàn)采樣的高速信號(hào)時(shí)，某些信號(hào)混入了不必要的波形。這些混入的信號(hào)頻率成分會(huì)對(duì)原來的信號(hào)波形造成失真，嚴(yán)重的話還會(huì)引起測(cè)量誤差。
圖形混淆現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的連續(xù)信號(hào)中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分，也就是采樣頻率的二分之一。這個(gè)成分在尼奎斯特頻率領(lǐng)域內(nèi)折返，出現(xiàn)在示波器測(cè)量帶寬內(nèi)。從頻率特性圖中可以清楚看出，磚墻反應(yīng)型示波器的圖形混淆影響微乎其微。
同樣條件下，能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領(lǐng)域中，幾乎沒有信號(hào)，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(cè)量一個(gè)周期2.2ns、上升時(shí)間約90ps的波形，會(huì)得到不一樣的結(jié)果。采樣頻率越低，上升時(shí)間的實(shí)際測(cè)量值越長(zhǎng)，波形越不能忠實(shí)地呈現(xiàn)。
目前高速串行接口測(cè)量所使用的實(shí)時(shí)采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機(jī)種所搭載模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣頻率高達(dá)20GHz左右。一般為了降低圖形混淆現(xiàn)象發(fā)生，高斯反應(yīng)型示波器采樣頻率需是輸入信號(hào)的4～6倍，而磚墻反應(yīng)型示波器僅需2.5倍。
通常情況頻帶都低于1GHz，因此大多采用高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)。表2所示是兩種反應(yīng)型示波器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。
根據(jù)性能要求選擇示波器
那么，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：
算出測(cè)量信號(hào)的最高頻率成分fmax。即信號(hào)頻率成分的上限，可以通過測(cè)定信號(hào)的上升時(shí)間計(jì)算出來。假設(shè)上升時(shí)間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號(hào)上升時(shí)間)的數(shù)學(xué)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(dāng)紅的第三代總線PCIExpress來說，多數(shù)情況下其上升時(shí)間約為100ps。
選擇示波器的反應(yīng)特性。即在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)內(nèi)選擇一個(gè)合適的，一般測(cè)量高速串行接口或總線的應(yīng)用多數(shù)選擇后者。
必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時(shí)間的測(cè)量誤差有關(guān)。有一家儀器公司做過仿真的實(shí)驗(yàn)：若磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來計(jì)算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來計(jì)算；20%的容許誤差時(shí)，則用(1.0×fmax)來計(jì)算。
估算最低的采樣頻率值。該數(shù)值會(huì)利用到上面的帶寬值，就磚墻反應(yīng)型示波器來說，最低需要(2.5×帶寬)。
利用上面四點(diǎn)可以說明一個(gè)案例：上升時(shí)間100ps的數(shù)字信號(hào)，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應(yīng)型示波器，假定上升時(shí)間的誤差局限于3%，那么輸入信號(hào)的帶寬為5.6GHz，因此，采樣頻率最低也需要14GHz。
若采樣頻率14GHz應(yīng)用在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測(cè)量的信號(hào)上升時(shí)間為220ps，與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)比差了一半。有些寬帶實(shí)時(shí)示波器依賴數(shù)字信號(hào)處理的活用，來實(shí)現(xiàn)磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)的特性。畢竟，單靠電路技術(shù)很難實(shí)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(shí)的重要指針。此外，理解測(cè)試儀器的特性，也是掌握正確測(cè)定的關(guān)鍵要素
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(gè)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(cè)量高速信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖形混淆現(xiàn)象，主要因?yàn)樵谥噩F(xiàn)采樣的高速信號(hào)時(shí)，某些信號(hào)混入了不必要的波形。這些混入的信號(hào)頻率成分會(huì)對(duì)原來的信號(hào)波形造成失真，嚴(yán)重的話還會(huì)引起測(cè)量誤差。
圖形混淆現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的連續(xù)信號(hào)中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分，也就是采樣頻率的二分之一。這個(gè)成分在尼奎斯特頻率領(lǐng)域內(nèi)折返，出現(xiàn)在示波器測(cè)量帶寬內(nèi)。從頻率特性圖中可以清楚看出，磚墻反應(yīng)型示波器的圖形混淆影響微乎其微。
同樣條件下，能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領(lǐng)域中，幾乎沒有信號(hào)，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(cè)量一個(gè)周期2.2ns、上升時(shí)間約90ps的波形，會(huì)得到不一樣的結(jié)果。采樣頻率越低，上升時(shí)間的實(shí)際測(cè)量值越長(zhǎng)，波形越不能忠實(shí)地呈現(xiàn)。
目前高速串行接口測(cè)量所使用的實(shí)時(shí)采樣寬帶數(shù)字示波器，高性能的機(jī)種所搭載模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采樣頻率高達(dá)20GHz左右。一般為了降低圖形混淆現(xiàn)象發(fā)生，高斯反應(yīng)型示波器采樣頻率需是輸入信號(hào)的4～6倍，而磚墻反應(yīng)型示波器僅需2.5倍。
通常情況頻帶都低于1GHz，因此大多采用高斯型反應(yīng)系統(tǒng)，而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)。表2所示是兩種反應(yīng)型示波器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。
根據(jù)性能要求選擇示波器
那么，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：
算出測(cè)量信號(hào)的最高頻率成分fmax。即信號(hào)頻率成分的上限，可以通過測(cè)定信號(hào)的上升時(shí)間計(jì)算出來。假設(shè)上升時(shí)間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號(hào)上升時(shí)間)的數(shù)學(xué)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(dāng)紅的第三代總線PCIExpress來說，多數(shù)情況下其上升時(shí)間約為100ps。
選擇示波器的反應(yīng)特性。即在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)內(nèi)選擇一個(gè)合適的，一般測(cè)量高速串行接口或總線的應(yīng)用多數(shù)選擇后者。
必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時(shí)間的測(cè)量誤差有關(guān)。有一家儀器公司做過仿真的實(shí)驗(yàn)：若磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來計(jì)算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來計(jì)算；20%的容許誤差時(shí)，則用(1.0×fmax)來計(jì)算。
估算最低的采樣頻率值。該數(shù)值會(huì)利用到上面的帶寬值，就磚墻反應(yīng)型示波器來說，最低需要(2.5×帶寬)。
利用上面四點(diǎn)可以說明一個(gè)案例：上升時(shí)間100ps的數(shù)字信號(hào)，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應(yīng)型示波器，假定上升時(shí)間的誤差局限于3%，那么輸入信號(hào)的帶寬為5.6GHz，因此，采樣頻率最低也需要14GHz。
若采樣頻率14GHz應(yīng)用在高斯型反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測(cè)量的信號(hào)上升時(shí)間為220ps，與磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)比差了一半。有些寬帶實(shí)時(shí)示波器依賴數(shù)字信號(hào)處理的活用，來實(shí)現(xiàn)磚墻反應(yīng)型系統(tǒng)的特性。畢竟，單靠電路技術(shù)很難實(shí)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(shí)的重要指針。此外，理解測(cè)試儀器的特性，也是掌握正確測(cè)定的關(guān)鍵要素
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