全球第四代示波器述评之十七—全新示波器构架为脉冲测量带来的技术提升
中心议题：
- 力科Zi系列示波器
- 快沿脉冲信号的测量的解决方案
- 力科WavePro7 Zi及WaveMaster8 Zi系列示波器
- 包括业界最高的30GHz模拟带宽，80GS/s采样率，40GS/s单芯片采样能力
- 支持三种脉冲响应方式的特性
- 强大的电缆去嵌能力以及方便灵活的通道校准能力
摘要：随着速度的提升，脉冲信号的上升时间变得越来越短，更快的上升沿意味着被测脉冲覆盖了更宽的频谱范围，更短的测量时间以及更大的电缆损耗。力科最新推出的Zi系列示波器拥有业界最高的带宽与采样率、全面的脉冲响应方式、有效的电缆去嵌能力以及方便灵活的通道校准能力，为快沿脉冲信号的测量提供了全面的解决方案。
关键词： 脉冲测量，带宽，采样率，脉冲响应方式，电缆去嵌，通道校准
一、30GHz —— 业界最高的模拟带宽
随着脉冲信号上升沿的加快，信号所包含的谐波成分也越来越丰富。对于同一个脉冲信号，使用不同带宽的示波器所测量出的结果可能是不同的。例如，下图一所示的脉冲测量中，使用1G带宽的示波器测量到的脉冲幅度仅为使用6G示波器测量值的一半。
图一， 示波器带宽对脉冲信号测量的影响今天的脉冲信号上升时间越来越短，有的已经达到几十皮秒的量级，如此快的上升沿将覆盖更宽的频谱范围，要对其进行有效测量，自然也就要求示波器拥有更高的模拟带宽。对于具体需要多高带宽的示波器进行测量的问题，可以根据示波器上升时间与被测脉冲信号上升时间之间的关系来衡量。如果我们以T(scope)代表示波器的10~90%上升时间，以T(signal)代表所测量脉冲信号的上升时间，那么两者之间的比例即T(scope)/T(signal)与脉冲信号测量精度将基本满足表一所列内容。
表一， T(scope)/T(signal)与脉冲信号测量精度的关系从表一中我们可以看出，为了使脉冲测量精度达到5%以上，应使示波器的上升时间小于脉冲上升时间1/3以上。例如，对上升时间在100ps以内的脉冲信号进行测量，示波器的上升时间应控制在30ps以内。我们知道，示波器的带宽越高其对应的上升时间越短，对高带宽实时数字示波器而言，两者的乘积在0.35~0.51之间变动。30ps以内的上升时间将要求示波器带宽达到16GHz以上。如果对上升时间50ps以内的脉冲信号测量，则要求示波器的10~90%上升时间必须控制在17ps以内，对应的示波器带宽将达到25GH或者更高，业界只有力科的第四代示波器Wavemaster830Zi或825Zi能够满足这样的指标要求。对脉冲信号进行精确测量，除了要求示波器有足够的带宽以外，还要求示波器通道的频响曲线在不同垂直刻度设置下有良好的 稳定度及一致性。力科8Zi系列示波器不但在带宽上做到了业界最高的30Ghz，在示波器频响方面也同样做到了业界最优，从而在硬件上奠定了对脉冲信号进行精确测量的基础。下图二为力科Wavemaster830Zi示波器在不同垂直刻度下的实测频响曲线，我们可以看到，各条曲线在示波器的全带宽范围内均保持了良好的稳定度与一致性。
图二，力科Wavemaster830Zi示波器在不同垂直刻度下的频响曲线脉冲信号越来越快，对示波器的带宽要求也将越来越高，力科Ｚｉ系列示波器的带宽可升级特性便顺应了这种测试需求。用户不需要为日后更快的脉冲信号测试重新购买一台更高带宽的示波器，而可以使用少量的资金将现有的低带宽Zi示波器升级到更高的带宽。例如，力科WavePro7Zi系列示波器可覆盖1.5GHz至6GHz模拟带宽，而更高端的WaveMaster8Zi系列的模拟带宽则可以覆盖从4GHz至30GHz，下表列出了8Zi系列示波器的具体带宽配置情况。
表二，力科WaveMaster8Zi系列示波器带宽配置表二、80GS/s —— 业界最高的实时采样率对脉冲信号进行精确测量，除了要求示波器有足够的带宽与良好的频响性能以外，示波器的实时采样率也同样是至关重要的指标。足够的带宽与良好的频响可以保证脉冲信号有更多的频谱分量无失真的通过示波器，除此以外，在极短的脉冲上升沿上能否采集到足够多的样点将直接影响到恢复波形的质量及后期对信号进行测量与分析的精度。一般情况下，应该保证在信号上升沿上至少采集3到4个样点才能比较客观的恢复出脉冲信号的真实波形并加以测量。例如，对上升时间100ps的脉冲信号，我们应该至少使用30GS/s的采样率对信号进行采集；而对于上升时间50ps以内的脉冲信号，则至少要求示波器的实时采样率达到60GHz以上。力科WaveMaster8Zi系列示波器可以提供业界最高的80GS/s实时采样率，是上升时间50ps以内脉冲测量的唯一选择。
脉冲信号测量除了要求足够高的采样率以外，示波器实时采样的工作细节亦是不容忽视的环节，它将在很大程度上影响到信号采集的保真度。由于示波器架构及所使用的ADC芯片的差异，不同品牌的示波器在实际采样时的架构是不同的。有的示波器在一路通道里使用多颗低采样率的芯片分时复用，间隔采样后再将样点叠加从而达到标称的高采样率，例如在一条模拟通道中使用8颗6.25GS/s低采样率芯片叠加从而达到标称的50GS./s最高采样率。
采用多颗低采样率芯片叠加采样的示波器架构在对高速信号包括脉冲信号测量时，由于每颗芯片存在固有的个体差异，如果叠加的芯片过多将不可避免地引入更多的冲击电平噪声与误差，从而直接影响到波形恢复的质量与测量精度。
图三， 力科 WaveMaster8Zi系列示波器部分硬件结构框图如上图所示，力科WavePro7Zi及WaveMaster8Zi系列示波器使用了全新的示波器架构，每颗采样芯片均可提供最高40GS/s的采样率（如下图四所示），在最高80GS/s采样时仅通过两颗芯片协同工作即可完成。这样的示波器架构大大简化了从前端放大器到ADC采样芯片之间的信号通路，避免了多颗芯片间隔采样带来的冲击电平噪声，从而很好地保证了高采样时的信号一致性。
图四，业界采样率最高的单芯片40GS/s ADC芯片三、支持三种脉冲响应方式 —— 业界唯一当今的高带宽数字示波器都会采取某种脉冲响应优化方式去降低幅频响应或相频响应对被测信号的负面效应，业界应用最广泛的脉冲响应方式有三种，分别为Pulse Mode、Eye Mode和Flatness Mode。
图五，三种脉冲响应方式及对理想阶跃脉冲的响应波形如图五所示，每种脉冲响应方式均由不同的幅频响应及相频响应方式组合而来，对同样的阶跃脉冲信号，不同的响应方式将恢复出不同的信号波形。例如，采用Pulse Mode恢复出的波形与模拟示波器的测量效果最为接近，因为其采用的幅频响应更为平缓，同时其相频响应也是因果有界的；采用Flatness Mode恢复出的波形其上升时间最短，但波形中同时包含了更多的过冲成分。这三种脉冲响应方式不存在哪个更好的问题，而是分别适应了不同信号的测试应用需求。下表总结了三种脉冲响应方式的不同特点及其各自适用的领域。
表三，三种脉冲响应方式的不同特点及其各自适用的领域具体到脉冲测量领域，如果更关心测量的脉冲上升时间，则应选择Flatness模式；如果更关心信号的整体波形，则选择Pluse模式更优。力科WaveMaster8Zi系列示波器创新性地将三种响应方式纳入到一台示波器中，用户可根据具体的测试需求选择合适的脉冲响应方式，无论哪种测试需求均可在8Zi仪器上轻松完成。
图六，唯有力科WaveMaster8Zi可同时支持三种脉冲响应方式四、强大的电缆去嵌功能与灵活的通道校准特性当前的脉冲信号由于速度越来越快，对其测量时通常会使用SMA接口的同轴电缆来连接信号源到示波器。通常SMA接口的同轴电缆最高带宽可以达到30GHz，理想情况下，对于频带范围内的信号是没有损耗的。实际情况中，由于导体的趋肤效应和介质的损耗，或多或少会对信号产生影响（特别是信号的高频部分），降低信号的幅度、增大信号的上升时间。此外，不同电缆的带宽以及损耗参数是不一样的，电缆使用一段时间后由于SMA连接器的磨损，同样会影响电缆的损耗特性。
在使用示波器结合同轴电缆测量脉冲信号时，为保证测量的精确性与一致性，必须去除电缆的效应。力科WaveMaster8Zi系列示波器拥有电缆去嵌（cable de-embedding）功能，在每个通道中均可选择是否激活此功能（下图所示为cable de-embedding的操作界面）。可以使用两种方法来输入电缆的特性：一种是电缆的衰减常数，包括了电缆长度、传输速度、插入损耗的多项式系数；另一种是直接输入多个频率点的插入损耗（即S参数的S21）。电缆的特性参数可以从电缆厂商处获得，或者使用TDR或矢量网络分析仪测量。
图七，电缆去嵌（ cable de-embedding）的操作界面电缆去嵌能补偿电缆在全频段的损耗，使示波器的测量结果具有精确性和重复性，对于脉冲信号的测试将是十分必要的。除了电缆去嵌功能外，力科Zi系列示波器上还标配了快沿方波信号源，其输出的信号上升时间在WaveMaster8Zi上为50ps，在WavePro7Zi上为100ps。一般情况下，对示波器进行常规的时序校准时需要配备一台额外的波形发生器以及一分四功分器，将波形发生器发出的信号经过功分器之后同时输入示波器的四条模拟通道，最后进行通道校准。对力科Zi系列示波器进行时序校准则不同，由于示波器标配了快沿方波信号源并且可对该信号进行内部触发，用户仅需一根SMA电缆便可分别将示波器的四条模拟通道分别对该快沿脉冲信号进行校准，从而也就方便地完成了四条模拟通道之间的时序校准工作。
五、结语
对脉冲信号的测量能力在一定程度上显示了示波器的综合性能。力科WavePro7 Zi及WaveMaster8Zi系列示波器在多项示波器重大指标上代表着当代实时示波器的最高水平，包括业界最高的30GHz模拟带宽，业界最高的80GS/s采样率，业界最快的40GS/s单芯片采样能力，业界唯一支持三种脉冲响应方式的特性，强大的电缆去嵌能力以及方便灵活的通道校准能力。力科Zi系列示波器的全新架构为当代脉冲信号的高保真测量带来了全面的技术提升与理想的解决方案。
参考文献
1. Adequate Bandwidth，Howard Johnson，LeCroy Corporation
2. Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation
3. Group_Delay-designcon_2006.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation
关键字：脉冲测量 带宽 采样率 脉冲响应方式 电缆去嵌 通道校准 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80004974
