- 力科Zi系列示波器
- 快沿脈沖信號的測量的解決方案
- 力科WavePro7 Zi及WaveMaster8 Zi系列示波器
- 包括業(yè)界最高的30GHz模擬帶寬，80GS/s采樣率，40GS/s單芯片采樣能力
- 支持三種脈沖響應(yīng)方式的特性
- 強(qiáng)大的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準(zhǔn)能力
摘要：隨著速度的提升，脈沖信號的上升時(shí)間變得越來越短，更快的上升沿意味著被測脈沖覆蓋了更寬的頻譜范圍，更短的測量時(shí)間以及更大的電纜損耗。力科最新推出的Zi系列示波器擁有業(yè)界最高的帶寬與采樣率、全面的脈沖響應(yīng)方式、有效的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準(zhǔn)能力，為快沿脈沖信號的測量提供了全面的解決方案。
關(guān)鍵詞： 脈沖測量，帶寬，采樣率，脈沖響應(yīng)方式，電纜去嵌，通道校準(zhǔn)
一、30GHz —— 業(yè)界最高的模擬帶寬
隨著脈沖信號上升沿的加快，信號所包含的諧波成分也越來越豐富。對于同一個(gè)脈沖信號，使用不同帶寬的示波器所測量出的結(jié)果可能是不同的。例如，下圖一所示的脈沖測量中，使用1G帶寬的示波器測量到的脈沖幅度僅為使用6G示波器測量值的一半。
圖一， 示波器帶寬對脈沖信號測量的影響
今天的脈沖信號上升時(shí)間越來越短，有的已經(jīng)達(dá)到幾十皮秒的量級，如此快的上升沿將覆蓋更寬的頻譜范圍，要對其進(jìn)行有效測量，自然也就要求示波器擁有更高的模擬帶寬。對于具體需要多高帶寬的示波器進(jìn)行測量的問題，可以根據(jù)示波器上升時(shí)間與被測脈沖信號上升時(shí)間之間的關(guān)系來衡量。如果我們以T(scope)代表示波器的10~90%上升時(shí)間，以T(signal)代表所測量脈沖信號的上升時(shí)間，那么兩者之間的比例即T(scope)/T(signal)與脈沖信號測量精度將基本滿足表一所列內(nèi)容。
表一， T(scope)/T(signal)與脈沖信號測量精度的關(guān)系
從表一中我們可以看出，為了使脈沖測量精度達(dá)到5%以上，應(yīng)使示波器的上升時(shí)間小于脈沖上升時(shí)間1/3以上。例如，對上升時(shí)間在100ps以內(nèi)的脈沖信號進(jìn)行測量，示波器的上升時(shí)間應(yīng)控制在30ps以內(nèi)。我們知道，示波器的帶寬越高其對應(yīng)的上升時(shí)間越短，對高帶寬實(shí)時(shí)數(shù)字示波器而言，兩者的乘積在0.35~0.51之間變動。30ps以內(nèi)的上升時(shí)間將要求示波器帶寬達(dá)到16GHz以上。如果對上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號測量，則要求示波器的10~90%上升時(shí)間必須控制在17ps以內(nèi)，對應(yīng)的示波器帶寬將達(dá)到25GH或者更高，業(yè)界只有力科的第四代示波器Wavemaster830Zi或825Zi能夠滿足這樣的指標(biāo)要求。對脈沖信號進(jìn)行精確測量，除了要求示波器有足夠的帶寬以外，還要求示波器通道的頻響曲線在不同垂直刻度設(shè)置下有良好的 穩(wěn)定度及一致性。力科8Zi系列示波器不但在帶寬上做到了業(yè)界最高的30Ghz，在示波器頻響方面也同樣做到了業(yè)界最優(yōu)，從而在硬件上奠定了對脈沖信號進(jìn)行精確測量的基礎(chǔ)。下圖二為力科Wavemaster830Zi示波器在不同垂直刻度下的實(shí)測頻響曲線，我們可以看到，各條曲線在示波器的全帶寬范圍內(nèi)均保持了良好的穩(wěn)定度與一致性。
圖二，力科Wavemaster830Zi示波器在不同垂直刻度下的頻響曲線
脈沖信號越來越快，對示波器的帶寬要求也將越來越高，力科Ｚｉ系列示波器的帶寬可升級特性便順應(yīng)了這種測試需求。用戶不需要為日后更快的脈沖信號測試重新購買一臺更高帶寬的示波器，而可以使用少量的資金將現(xiàn)有的低帶寬Zi示波器升級到更高的帶寬。例如，力科WavePro7Zi系列示波器可覆蓋1.5GHz至6GHz模擬帶寬，而更高端的WaveMaster8Zi系列的模擬帶寬則可以覆蓋從4GHz至30GHz，下表列出了8Zi系列示波器的具體帶寬配置情況。
表二，力科WaveMaster8Zi系列示波器帶寬配置表
二、80GS/s —— 業(yè)界最高的實(shí)時(shí)采樣率對脈沖信號進(jìn)行精確測量，除了要求示波器有足夠的帶寬與良好的頻響性能以外，示波器的實(shí)時(shí)采樣率也同樣是至關(guān)重要的指標(biāo)。足夠的帶寬與良好的頻響可以保證脈沖信號有更多的頻譜分量無失真的通過示波器，除此以外，在極短的脈沖上升沿上能否采集到足夠多的樣點(diǎn)將直接影響到恢復(fù)波形的質(zhì)量及后期對信號進(jìn)行測量與分析的精度。一般情況下，應(yīng)該保證在信號上升沿上至少采集3到4個(gè)樣點(diǎn)才能比較客觀的恢復(fù)出脈沖信號的真實(shí)波形并加以測量。例如，對上升時(shí)間100ps的脈沖信號，我們應(yīng)該至少使用30GS/s的采樣率對信號進(jìn)行采集；而對于上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號，則至少要求示波器的實(shí)時(shí)采樣率達(dá)到60GHz以上。力科WaveMaster8Zi系列示波器可以提供業(yè)界最高的80GS/s實(shí)時(shí)采樣率，是上升時(shí)間50ps以內(nèi)脈沖測量的唯一選擇。
脈沖信號測量除了要求足夠高的采樣率以外，示波器實(shí)時(shí)采樣的工作細(xì)節(jié)亦是不容忽視的環(huán)節(jié)，它將在很大程度上影響到信號采集的保真度。由于示波器架構(gòu)及所使用的ADC芯片的差異，不同品牌的示波器在實(shí)際采樣時(shí)的架構(gòu)是不同的。有的示波器在一路通道里使用多顆低采樣率的芯片分時(shí)復(fù)用，間隔采樣后再將樣點(diǎn)疊加從而達(dá)到標(biāo)稱的高采樣率，例如在一條模擬通道中使用8顆6.25GS/s低采樣率芯片疊加從而達(dá)到標(biāo)稱的50GS./s最高采樣率。
采用多顆低采樣率芯片疊加采樣的示波器架構(gòu)在對高速信號包括脈沖信號測量時(shí)，由于每顆芯片存在固有的個(gè)體差異，如果疊加的芯片過多將不可避免地引入更多的沖擊電平噪聲與誤差，從而直接影響到波形恢復(fù)的質(zhì)量與測量精度。
圖三， 力科 WaveMaster8Zi系列示波器部分硬件結(jié)構(gòu)框圖
如上圖所示，力科WavePro7Zi及WaveMaster8Zi系列示波器使用了全新的示波器架構(gòu)，每顆采樣芯片均可提供最高40GS/s的采樣率（如下圖四所示），在最高80GS/s采樣時(shí)僅通過兩顆芯片協(xié)同工作即可完成。這樣的示波器架構(gòu)大大簡化了從前端放大器到ADC采樣芯片之間的信號通路，避免了多顆芯片間隔采樣帶來的沖擊電平噪聲，從而很好地保證了高采樣時(shí)的信號一致性。
圖四，業(yè)界采樣率最高的單芯片40GS/s ADC芯片
三、支持三種脈沖響應(yīng)方式 —— 業(yè)界唯一當(dāng)今的高帶寬數(shù)字示波器都會采取某種脈沖響應(yīng)優(yōu)化方式去降低幅頻響應(yīng)或相頻響應(yīng)對被測信號的負(fù)面效應(yīng)，業(yè)界應(yīng)用最廣泛的脈沖響應(yīng)方式有三種，分別為Pulse Mode、Eye Mode和Flatness Mode。
圖五，三種脈沖響應(yīng)方式及對理想階躍脈沖的響應(yīng)波形
如圖五所示，每種脈沖響應(yīng)方式均由不同的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)方式組合而來，對同樣的階躍脈沖信號，不同的響應(yīng)方式將恢復(fù)出不同的信號波形。例如，采用Pulse Mode恢復(fù)出的波形與模擬示波器的測量效果最為接近，因?yàn)槠洳捎玫姆l響應(yīng)更為平緩，同時(shí)其相頻響應(yīng)也是因果有界的；采用Flatness Mode恢復(fù)出的波形其上升時(shí)間最短，但波形中同時(shí)包含了更多的過沖成分。這三種脈沖響應(yīng)方式不存在哪個(gè)更好的問題，而是分別適應(yīng)了不同信號的測試應(yīng)用需求。下表總結(jié)了三種脈沖響應(yīng)方式的不同特點(diǎn)及其各自適用的領(lǐng)域。
表三，三種脈沖響應(yīng)方式的不同特點(diǎn)及其各自適用的領(lǐng)域
具體到脈沖測量領(lǐng)域，如果更關(guān)心測量的脈沖上升時(shí)間，則應(yīng)選擇Flatness模式；如果更關(guān)心信號的整體波形，則選擇Pluse模式更優(yōu)。力科WaveMaster8Zi系列示波器創(chuàng)新性地將三種響應(yīng)方式納入到一臺示波器中，用戶可根據(jù)具體的測試需求選擇合適的脈沖響應(yīng)方式，無論哪種測試需求均可在8Zi儀器上輕松完成。
圖六，唯有力科WaveMaster8Zi可同時(shí)支持三種脈沖響應(yīng)方式
四、強(qiáng)大的電纜去嵌功能與靈活的通道校準(zhǔn)特性當(dāng)前的脈沖信號由于速度越來越快，對其測量時(shí)通常會使用SMA接口的同軸電纜來連接信號源到示波器。通常SMA接口的同軸電纜最高帶寬可以達(dá)到30GHz，理想情況下，對于頻帶范圍內(nèi)的信號是沒有損耗的。實(shí)際情況中，由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)和介質(zhì)的損耗，或多或少會對信號產(chǎn)生影響（特別是信號的高頻部分），降低信號的幅度、增大信號的上升時(shí)間。此外，不同電纜的帶寬以及損耗參數(shù)是不一樣的，電纜使用一段時(shí)間后由于SMA連接器的磨損，同樣會影響電纜的損耗特性。
在使用示波器結(jié)合同軸電纜測量脈沖信號時(shí)，為保證測量的精確性與一致性，必須去除電纜的效應(yīng)。力科WaveMaster8Zi系列示波器擁有電纜去嵌（cable de-embedding）功能，在每個(gè)通道中均可選擇是否激活此功能（下圖所示為cable de-embedding的操作界面）。可以使用兩種方法來輸入電纜的特性：一種是電纜的衰減常數(shù)，包括了電纜長度、傳輸速度、插入損耗的多項(xiàng)式系數(shù)；另一種是直接輸入多個(gè)頻率點(diǎn)的插入損耗（即S參數(shù)的S21）。電纜的特性參數(shù)可以從電纜廠商處獲得，或者使用TDR或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。
圖七，電纜去嵌（ cable de-embedding）的操作界面
電纜去嵌能補(bǔ)償電纜在全頻段的損耗，使示波器的測量結(jié)果具有精確性和重復(fù)性，對于脈沖信號的測試將是十分必要的。除了電纜去嵌功能外，力科Zi系列示波器上還標(biāo)配了快沿方波信號源，其輸出的信號上升時(shí)間在WaveMaster8Zi上為50ps，在WavePro7Zi上為100ps。一般情況下，對示波器進(jìn)行常規(guī)的時(shí)序校準(zhǔn)時(shí)需要配備一臺額外的波形發(fā)生器以及一分四功分器，將波形發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)過功分器之后同時(shí)輸入示波器的四條模擬通道，最后進(jìn)行通道校準(zhǔn)。對力科Zi系列示波器進(jìn)行時(shí)序校準(zhǔn)則不同，由于示波器標(biāo)配了快沿方波信號源并且可對該信號進(jìn)行內(nèi)部觸發(fā)，用戶僅需一根SMA電纜便可分別將示波器的四條模擬通道分別對該快沿脈沖信號進(jìn)行校準(zhǔn)，從而也就方便地完成了四條模擬通道之間的時(shí)序校準(zhǔn)工作。
五、結(jié)語
對脈沖信號的測量能力在一定程度上顯示了示波器的綜合性能。力科WavePro7 Zi及WaveMaster8Zi系列示波器在多項(xiàng)示波器重大指標(biāo)上代表著當(dāng)代實(shí)時(shí)示波器的最高水平，包括業(yè)界最高的30GHz模擬帶寬，業(yè)界最高的80GS/s采樣率，業(yè)界最快的40GS/s單芯片采樣能力，業(yè)界唯一支持三種脈沖響應(yīng)方式的特性，強(qiáng)大的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準(zhǔn)能力。力科Zi系列示波器的全新架構(gòu)為當(dāng)代脈沖信號的高保真測量帶來了全面的技術(shù)提升與理想的解決方案。
參考文獻(xiàn)
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