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    數字示波器的反應特性

    數字示波器的反應特性
        高速數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)現象。使用數字示波器測量高速信號時,會產生圖形混淆現象,主要因為在重現采樣的高速信號時,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。
              圖形混淆現象多數發生在模擬數字轉換器的連續信號中,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。這個成分在尼奎斯特頻率領域內折返,出現在示波器測量帶寬內。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,能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領域中,幾乎沒有信號,可以抑制混淆現象的發生。
              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。
              目前高速串行接口測量所使用的實時采樣寬帶數字示波器,高性能的機種所搭載模擬數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象發生,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。
              通常情況頻帶都低于1GHz,因此大多采用高斯型反應系統,而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應型系統。表2所示是兩種反應型示波器的優缺點對比。
              根據性能要求選擇示波器
              那么,如何來選擇適合的示波器呢?有4個簡單的步驟:
              算出測量信號的高頻率成分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)的數學式估算其約略值,而非直接從數據傳輸速率來估算。以當紅的第三代總線PCIExpress來說,多數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與磚墻反應型系統內選擇一個合適的,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。
              估算低的采樣頻率值。該數值會利用到上面的帶寬值,就磚墻反應型示波器來說,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,采樣頻率低也需要14GHz。
              若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應系統時,輸入的帶寬就變成3.5GHz,可以測量的信號上升時間為220ps,與磚墻反應型系統比差了一半。有些寬帶實時示波器依賴數字信號處理的活用,來實現磚墻反應型系統的特性。畢竟,單靠電路技術很難實現理想的特性。
              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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