数字示波器的信号保真度探析

前言

现代电子设计面临越来越多的挑战。在数字领域，电路的集成规模越来越大，IO数量越来越多，单板互连密度不断加大；同时芯片内和芯片外时钟速率越来越高，信号边沿越来越快；新技术不断出现，如：PCI Express，Serial ATA，1394B，Fibre Channel，Rapid IO，XAUI，5G~6.25G高速背板等，这样系统和板级的高速问题，信号完整性问题，电磁兼容问题更加突出。在射频、微波领域，新技术的出现、频宽的扩展，如：UWB，高精度、宽频雷达，给我们的系统设计带来越来越多的挑战。

示波器作为最常用的测试分析工具，也得到了长足的发展。示波器的发展有两个趋势，其一是性能的提升。自从Agilent在20世纪80年代推出数字示波器后，数字示波器不断发展，从上百兆发展到上千兆，再发展到6GHz带宽、20GSa/s的采样率，一直到现在的高达13GHz带宽、40GSa/s实时采样速率的超高性能示波器，示波器的性能上获得了跳跃的发展。另一方面，随着Windows操作系统在示波器上的应用，示波器的可用性和软件分析能力也获得了巨大的发展，比如现在的示波器大多采用开放的Windows XP Pro操作系统，配备多种测试分析软件，如：抖动测试分析软件，串行数据测试分析软件，PCI Express等一致性测试分析软件，能够把示波器的分析从时域扩展到频域、解调域、数字域的矢量信号分析软件89601等，这成为数字示波器的另一发展趋势。

而衡量数字示波器的指标很多，不免让人分不清主次，实际上最主要的但却较抽象的衡量标准是信号保真度（Signal Fidelity），信号保真度简单说就是示波器显示的波形和被测波形的一致性。因为波形从被测点到显示在示波器的屏幕上要经过数字示波器的各个环节，而每一环节都有可能对信号产生影响，因而数字示波器要实现高的保真度是一件比较困难的事。示波器影响信号保真度的几个主要因素由图1所示：探头连接部分带宽，探头带宽，示波器带宽和频响，示波器采样率。示波器系统的信号保真能力或叫系统带宽由链路中的最弱环节决定，比如一个6GHz带宽，20GSa/s采样率的示波器如果配备3.5GHz带宽的探头系统，那么整个示波器系统的系统带宽最多只有3.5GHz。下面从这几个方面探悉数字示波器的信号保真度。

图1：影响示波器信号保真度的几个因素

探头系统

提到示波器不得不提到示波器的探头系统（包括探头连接附件和探头本身），是探头系统把被测电路的信号引入到示波器内部，如图2所示。这样探头系统的好坏直接决定了引入到示波器内的信号与本身信号的一致性，而同时探头系统也成为了被测电路的一部分，有一定的负载效应，探头的负载特性表现在三个方面：探头的输入电阻，电容和电感。

图2：探头是连接被测电路与示波器的桥梁

探头的输入电阻会影响被测信号的幅度和直流偏置，因为探头输入电阻有分压作用。如果要求幅度测试误差小于10%，则探头的输入电阻要求大于10倍的被测源电阻。探头的输入电容会影响被测信号的边沿和传输延时，边沿的影响因子为2.2RC（R为探头的输入电阻和被测源电阻的并联值，C为探头的输入电容值）。探头的电感效应主要由接地引线所引起，一般接地引线1mm能够产生1nH的电感值，对信号的影响主要是示波器显示的信号有振铃现象。

探头分为有源探头和无源探头，无源探头分为低阻无源探头和高阻无源探头，高阻无源探头应用较广，但是带宽一般限制在600MHz以内，输入电阻和输入电容都较大。现在数字信号的信号速率越来越高，很多超过千兆的信号，这些信号的测试需要高带宽的有源探头，对差分信号还需要有源差分探头。有源探头里面有放大器，输入电容能够做到很小（比如小于1pf），输入电阻也能够做到几十K欧姆，这样可以保证对被测信号影响足够小。有源探头的连接部分是非常关键的，会对探头系统的性能有很大的影响，为此一些特殊设计的有源探头横空出世，比如获得EDN杂志年度产品创新大奖的InfiniiMax探头系统，设计了各种连接附件，SMA差分连接、点测、插孔、焊接等确保探测的灵活性和可靠性，同时每种附件可以保证足够高的带宽，连接附件的带宽竟然可以达到12GHz，如图3所示。

图3：InfiniiMax探头系统和一些连接附件

示波器带宽和频响

信号通过探头系统进入示波器以后，示波器哪些部分对信号保真度影响较大呢？图4是数字示波器的参考体系结构，信号进入示波器后，首先是进入衰减器，然后进入前置放大器，他们协同工作，让我们能够很方便调整示波器的垂直分辨率。当然衰减器之前还有继电器，在起动示波器时以及按自动设置和调整垂直分辨率时作为快速切换校准使用。

示波器继电器现在有两种技术，一种是电子继电器，一种是机械继电器。使用机械继电器的示波器需要注意一点，当按自动设置键或调整垂直分辨率时，继电器开关切换，很有可能向示波器端口反向输出负脉冲，幅度可以达到-15V，如果直接用电缆连接到电路上，这对被测电路可能有很大的伤害。电子继电器是一种新技术，解决了这方面的问题。判断一台示波器是使用电子继电器还是使用机械继电器，其实非常简单，只要按自动设置键(Autoset或Autoscale)，听一下有没有“啪” “啪” “啪”的声音即可，有声音则是机械继电器，无声音则是电子继电器。