數字示波器選購技巧
2012-03-20
長沙艾克塞普儀器公司首席應用工程師Tony.Li針對時下示波器品牌眾多，示波器型號以及性能千差萬別，不同示波器價格相差 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性的選擇一款最適合的數字示波器。
提高采樣頻率抑制混淆現象
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，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個簡單的步驟：
算出測量信號的最高頻率成分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。
估算最低的采樣頻率值。該數值會利用到上面的帶寬值，就磚墻反應型示波器來說，最低需要(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，采樣頻率最低也需要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
提高采樣頻率抑制混淆現象
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，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個簡單的步驟：
算出測量信號的最高頻率成分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。
估算最低的采樣頻率值。該數值會利用到上面的帶寬值，就磚墻反應型示波器來說，最低需要(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，采樣頻率最低也需要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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