中心議題：

• 示波器的反應係統：高斯型反應係統和磚牆型反應係統
• 提高示波器采樣頻率，抑製圖像混淆現象
• 根據性能要求選擇示波器

工程人員在進行高速數字信號測量時，通常需要具備兩種測量技術的基礎知識。一個是理解有關探針(Probe)等測試附件的特性，另外一個就是要了解測試儀器本身，通常就是指示波器（Oscilloscope）的頻率反應特性。下麵就來探討示波器的兩種反應特性及不同反應特性對係統的影響和區分。

示波器的反應特性會對信號的波形有所影響，並改變信號上升時間的計算。當Pentium 4進千兆赫時代後，Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續超越了Gbps，選擇適當的探針當然是一件重要的事，但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。

測(ce)量(liang)波(bo)形(xing)從(cong)輸(shu)入(ru)連(lian)接(jie)器(qi)經(jing)過(guo)采(cai)樣(yang)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)顯(xian)示(shi)在(zai)屏(ping)幕(mu)上(shang)
，同(tong)時(shi)保(bao)存(cun)數(shu)據(ju)。一(yi)旦(dan)選(xuan)擇(ze)了(le)不(bu)適(shi)當(dang)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)，波(bo)形(xing)就(jiu)可(ke)能(neng)變(bian)形(xing)。尤(you)其(qi)在(zai)測(ce)量(liang)像(xiang)PCI Express高(gao)速(su)串(chuan)行(xing)接(jie)口(kou)的(de)波(bo)形(xing)時(shi)
，不(bu)僅(jin)要(yao)衡(heng)量(liang)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)及(ji)帶(dai)寬(kuan)
，還(hai)必(bi)須(xu)對(dui)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)反(fan)應(ying)特(te)性(xing)有(you)所(suo)認(ren)知(zhi)。比(bi)如(ru)，在(zai)測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)陡(dou)峭(qiao)的(de)信(xin)號(hao)變(bian)化(hua)時(shi)，會(hui)因(yin)為(wei)示(shi)波(bo)器(qi)反(fan)應(ying)特(te)性(xing)的(de)差(cha)異(yi)而(er)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。

示波器的反應係統：高斯型反應係統和磚牆型反應係統

示波器的反應特性泛指從輸入端的連接頭到畫麵顯示整個測量係統的“傳遞特性”。通常可以分為高斯(Gaussian Response)型反應係統和磚牆(Brick-wall Response)型反應係統兩大類。磚牆型反應係統也稱平坦反應型(Flat Response)。

要區分或比較這兩類係統的差異，最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(Step)波形的反應”這兩個基本參數。

常chang用yong的de模mo擬ni示shi波bo器qi屬shu於yu高gao斯si型xing反fan應ying係xi統tong，其qi頻pin率lv特te性xing會hui在zai右you肩jian端duan緩huan慢man下xia滑hua，而er步bu級ji波bo形xing的de輸shu入ru即ji使shi再zai陡dou峭qiao

，也ye不bu容rong易yi產chan生sheng波bo形xing失shi真zhen
，即ji不bu會hui產chan生sheng步bu級ji波bo形xing瞬shun間jian的de前qian衝chong(Preshoot)、波形後的過衝(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現象。在測量短過渡時間的數字電路信號時，這是很理想的特性。

模擬示波器必須將輸入端輸入的數mV微小電壓信號經過幾級的放大電路，變換成數百mV的電壓

，以確保足夠驅動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的。

而在測量高速串行接口的波形時，一般采用實時采樣方式的寬帶數字示波器，這類示波器多采用磚牆反應型的應答係統。

磚牆反應型的應答特性又稱“最高平坦應答”，在頻帶內頻率響應極為平坦，而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內的信號振幅是不會有衰減現象發生的。超過頻帶之外，信號振幅就成為零。

與高斯反應示波器相比，磚牆反應型示波器還是有幾個缺點：

• 對於輸入步級波形的反應，容易出現前衝或過衝波形
• 示波器上升時間較長，換言之，就是反應比較慢

這zhe裏li所suo說shuo的de示shi波bo器qi上shang升sheng時shi間jian，是shi指zhi步bu級ji輸shu入ru對dui應ying到dao輸shu出chu波bo形xing的de上shang升sheng時shi間jian。這zhe個ge時shi間jian越yue短duan，代dai表biao示shi波bo器qi越yue能neng忠zhong實shi地di展zhan現xian出chu從cong輸shu入ru連lian接jie器qi端duan測ce量liang到dao的de波bo形xing。因yin此ci，示shi波bo器qi上shang升sheng時shi間jian就jiu是shi其qi高gao頻pin特te性xing的de代dai名ming詞ci。同tong時shi，數shu字zi信xin號hao的de上shang升sheng時shi間jian
，一yi般ban是shi指zhi從cong低di位wei階jie遷qian移yi到dao高gao位wei階jie的de時shi間jian。通tong常chang指zhi信xin號hao位wei階jie10%～90%的上升遷移時間，而對於高速數字通信來說
，大多是指20%～80%的時間遷移。

下麵這兩個數學式可用來估算磚牆反應型及高斯反應型示波器的上升時間：

磚牆反應型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz)
高斯反應型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應該是0.338/帶寬(GHz)

舉例來說，一個帶寬為6GHz的示波器，高斯反應型示波器的上升時間約為58ps，而在目前主流的同等帶寬磚牆反應型示波器的上升時間約為70ps。

盡(jin)管(guan)磚(zhuan)牆(qiang)反(fan)應(ying)型(xing)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)略(lve)遜(xun)一(yi)籌(chou)，實(shi)時(shi)采(cai)樣(yang)的(de)寬(kuan)帶(dai)數(shu)字(zi)示(shi)波(bo)器(qi)機(ji)種(zhong)主(zhu)要(yao)還(hai)是(shi)采(cai)用(yong)磚(zhuan)牆(qiang)反(fan)應(ying)型(xing)的(de)應(ying)答(da)特(te)性(xing)。仔(zai)細(xi)探(tan)究(jiu)起(qi)來(lai)，主(zhu)要(yao)的(de)內(nei)在(zai)理(li)由(you)有(you)二(er)。其(qi)一(yi)
，是(shi)要(yao)回(hui)避(bi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)與(yu)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)電(dian)壓(ya)振(zhen)幅(fu)的(de)誤(wu)差(cha)，因(yin)為(wei)高(gao)斯(si)反(fan)應(ying)型(xing)示(shi)波(bo)器(qi)在(zai)頻(pin)帶(dai)內(nei)的(de)振(zhen)幅(fu)誤(wu)差(cha)太(tai)大(da)。從(cong)圖(tu)2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方麵的優劣。假設輸入信號帶寬為1GHz，采樣頻率4GHz，由圖2所示可看出
，高斯反應型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑，尤其在超過帶寬1/3的頻帶領域，波形明顯衰減，即信號誤差大。
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提高采樣頻率 抑製混淆現象

高速數字示波器選用磚牆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xian象xiang。使shi用yong數shu字zi示shi波bo器qi測ce量liang高gao速su信xin號hao時shi
，會hui產chan生sheng圖tu形xing混hun淆xiao現xian象xiang，主zhu要yao因yin為wei在zai重zhong現xian采cai樣yang的de高gao速su信xin號hao時shi，某mou些xie信xin號hao混hun入ru了le不bu必bi要yao的de波bo形xing。這zhe些xie混hun入ru的de信xin號hao頻pin率lv成cheng分fen會hui對dui原yuan來lai的de信xin號hao波bo形xing造zao成cheng失shi真zhen，嚴yan重zhong的de話hua還hai會hui引yin起qi測ce量liang誤wu差cha。

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(pin)率(lv)的(de)成(cheng)分(fen)，也(ye)就(jiu)是(shi)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)的(de)二(er)分(fen)之(zhi)一(yi)。這(zhe)個(ge)成(cheng)分(fen)在(zai)尼(ni)奎(kui)斯(si)特(te)頻(pin)率(lv)領(ling)域(yu)內(nei)折(zhe)返(fan)，出(chu)現(xian)在(zai)示(shi)波(bo)器(qi)測(ce)量(liang)帶(dai)寬(kuan)內(nei)。從(cong)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)清(qing)楚(chu)看(kan)出(chu)，磚(zhuan)牆(qiang)反(fan)應(ying)型(xing)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)圖(tu)形(xing)混(hun)淆(xiao)影(ying)響(xiang)微(wei)乎(hu)其(qi)微(wei)。

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
，可以抑製混淆現象的發生。

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，而磚牆反應型示波器僅需2.5倍。

通常情況頻帶都低於1GHz，因此大多采用高斯型反應係統，而高於1GHz的儀器則大多采用磚牆反應型係統。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

那麼，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PCI Express來說
，多數情況下其上升時間約為100ps。

xuanzeshiboqidefanyingtexing。jizaigaosixingfanyingxitongyuzhuanqiangfanyingxingxitongneixuanzeyigeheshide
，yibancelianggaosuchuanxingjiekouhuozongxiandeyingyongduoshuxuanzehouzhe。

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：若磚牆反應型係統允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來計算
；誤差若抑製在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。該數值會利用到上麵的帶寬值，就磚牆反應型示波器來說，最低需要(2.5×帶寬)。

利用上麵四點可以說明一個案例：上升時間100ps的數字信號
，其fmax為4GHz，選擇磚牆反應型示波器
，假定上升時間的誤差局限於3%，那麼輸入信號的帶寬為5.6GHz，因此
，采樣頻率最低也需要14GHz。

若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應係統時，輸入的帶寬就變成3.5GHz

，可以測量的信號上升時間為220ps，與yu磚zhuan牆qiang反fan應ying型xing係xi統tong比bi差cha了le一yi半ban。有you些xie寬kuan帶dai實shi時shi示shi波bo器qi依yi賴lai數shu字zi信xin號hao處chu理li的de活huo用yong，來lai實shi現xian磚zhuan牆qiang反fan應ying型xing係xi統tong的de特te性xing。畢bi竟jing，單dan靠kao電dian路lu技ji術shu很hen難nan實shi現xian理li想xiang的de特te性xing。

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。