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原创 示波器的频响方式对眼图测量的影响 #B0010

2017-5-15 09:03 376 0 分类: 测试测量

不同厂商和不同型号的示波器除了带宽不一样以外,其频率响应方式也可能不一样。所谓频率响应方式,是指示波器的前端模拟电路对于不同频率的正弦波信号的的增益曲线。带宽只是定义了示波器的增益下降-3dB对应的频点,但并没有定义示波器的频响曲线。下图就是两个相同带宽但是频率响应方式不同的示波器的频响曲线。按照带宽的定义,这两台示波器的带宽是一样的,都是在相同的频率点增益下降-3dB,但是对于实际信号测量的影响可能是不一样的。


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示波器的频响方式最传统的是高斯频响,高斯频响的示波器其频响方式类似低通的高斯滤波器。高斯滤波器的特点是其时域的冲击响应是一个高斯函数,高斯频响的示波器有2个非常重要的特点:在进行阶跃信号测试时是没有过冲的;同时在相同的带宽情况下高斯频响的示波器的上升时间最小。很多一阶或多阶的RC滤波电路的频响方式都是高斯或类高斯的,实现比较简单,因此早期的示波器和现在很多中低带宽的示波器的频响方式都是高斯或类高斯的。但是高斯频响的示波器也有一些缺点,主要体现在带内损耗较大以及带外抑制能力不够。对于带宽内信号的测量,在信号频率接近带宽附近时信号衰减已经比较厉害,所以要达到高的测量精度需要示波器的带宽比被测信号的带宽高很多。比如对于快沿信号的测量,一般情况下需要示波器的带宽是被测信号带宽的3倍以上才能保证5%以内的上升时间测量误差。另一方面,高斯频响的示波器对于带外的信号的抑制能力不够(从好的方面说是高斯频响的示波器测量带外信号的能力更强),因此如果被测信号的带宽较宽,可能会有很多超出示波器带宽的能量进入后面的ADC电路。为了保证信号不产生混叠,对于ADC采样率的要求就要更高一些,通常高斯频响的示波器要求的采样率至少要到示波器带宽的4倍或以上。


为了提高带内信号的测量精度并尽可能避免信号的混叠,现代的很多高带宽示波器会采用另一种频响方式,即上图中的平坦响应。从频响曲线上可以看到,采用平坦响应的示波器在进行带内信号测量时的精度更高一些,比如对于快沿信号的测量,一般情况下示波器的带宽比被测信号带宽高40%以上就可以保证比较小的上升时间测量误差(<5%)。同时由于平坦响应的示波器带外抑制能力比较强,无论被测信号的带宽有多宽,经过示波器的前端电路后信号的主要频率成分都集中在信号带宽以内,所以采样率只需要达到带宽的2.5倍左右就可以保证信号不会产生混叠(虽然奈奎斯特采样定律只要求2倍以上,但工程上一般会留一些裕量),这就降低了对于高带宽示波器ADC采样率的要求。平坦响应的示波器在具体使用中要注意的一点是最好不要用于测试超出示波器的带宽的信号,因为超出带宽的频率成分衰减很厉害,对于宽带信号测量会带来比较大的信号变形,比如在进行超出带宽的快沿信号测量时可能会显示出更大的过冲。下图是某款示波器在不同带宽情况下的频率响应曲线,采用了明显的平坦响应方式。

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需要注意的一点是,平坦响应的示波器也不是没有缺点的。首先,在相同的带宽下,平坦响应示波器的固有上升时间大于高斯频响的示波器;其次,在测量阶跃或者快沿信号时,当输入信号的频谱成分超过示波器带宽时,由于吉布斯效应,测量到的信号里会有比较大的过冲,这可能会影响到一些高速信号的眼图测量。比如在下图的例子中,被测信号是个10Gbps的高速串行信号,信号带宽约为20GHz。在对这个信号分别使用16GHz带宽的4阶Butterworth滤波器(类似平坦响应)和4阶Bessel滤波器(类似高斯频响)进行滤波后,可以看到,当信号频率成分超出示波器带宽时,平坦响应的示波器在眼图测试中出现明显的过冲。因此,选择平坦响应示波器进行信号测试,尤其是对快沿信号进行测试时,一定要估算好信号的带宽,并选择好足够带宽的示波器。而在带宽足够的情况下,平坦响应的示波器的测量精度是更高的。

03


对于不同频响方式的示波器来说,如何根据精度要求进行带宽计算,针对不同的信号特点有不同的方法。对于正弦波信号来说,由于频率成分单一,只需要考虑幅度测量的精度就可以了;对于数字或脉冲信号测量的场合,情况会更加复杂一些,因为数字或脉冲信号有更加复杂的频率分布,不但要考虑到示波器带宽对信号基频的影响,还要考虑各次谐波成分以及示波器的频响方式。对于数字或脉冲信号的测量,目前业内通用的做法是根据被测信号的上升时间估算信号的带宽,然后再在此基础上根据拟使用的示波器频响方式以及测量容许的误差估算需要的示波器带宽,具体可以参考各示波器厂商推荐的计算公式。


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