- 力科Zi系列示波器
- 快沿脈沖信號(hào)的測(cè)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(hào)的上升時(shí)間變得越來越短，更快的上升沿意味著被測(cè)脈沖覆蓋了更寬的頻譜范圍，更短的測(cè)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(hào)的測(cè)量提供了全面的解決方案。
關(guān)鍵詞： 脈沖測(cè)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(hào)上升沿的加快，信號(hào)所包含的諧波成分也越來越豐富。對(duì)于同一個(gè)脈沖信號(hào)，使用不同帶寬的示波器所測(cè)量出的結(jié)果可能是不同的。例如，下圖一所示的脈沖測(cè)量中，使用1G帶寬的示波器測(cè)量到的脈沖幅度僅為使用6G示波器測(cè)量值的一半。
圖一， 示波器帶寬對(duì)脈沖信號(hào)測(cè)量的影響
今天的脈沖信號(hào)上升時(shí)間越來越短，有的已經(jīng)達(dá)到幾十皮秒的量級(jí)，如此快的上升沿將覆蓋更寬的頻譜范圍，要對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)量，自然也就要求示波器擁有更高的模擬帶寬。對(duì)于具體需要多高帶寬的示波器進(jìn)行測(cè)量的問題，可以根據(jù)示波器上升時(shí)間與被測(cè)脈沖信號(hào)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(cè)量脈沖信號(hào)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(hào)測(cè)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(hào)測(cè)量精度的關(guān)系
從表一中我們可以看出，為了使脈沖測(cè)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(duì)上升時(shí)間在100ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(duì)應(yīng)的上升時(shí)間越短，對(duì)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(dòng)。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(duì)上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)測(cè)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(duì)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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)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(cè)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(hào)越來越快，對(duì)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(jí)特性便順應(yīng)了這種測(cè)試需求。用戶不需要為日后更快的脈沖信號(hào)測(cè)試重新購買一臺(tái)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(jí)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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)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(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析的精度。一般情況下，應(yīng)該保證在信號(hào)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(hào)的真實(shí)波形并加以測(cè)量。例如，對(duì)上升時(shí)間100ps的脈沖信號(hào)，我們應(yīng)該至少使用30GS/s的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集；而對(duì)于上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)，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(cè)量的唯一選擇。
脈沖信號(hào)測(cè)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(hào)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(duì)高速信號(hào)包括脈沖信號(hào)測(cè)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(cè)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(jiǎn)化了從前端放大器到ADC采樣芯片之間的信號(hào)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(hào)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(huì)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(duì)被測(cè)信號(hào)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(duì)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(duì)同樣的階躍脈沖信號(hào)，不同的響應(yīng)方式將恢復(fù)出不同的信號(hào)波形。例如，采用Pulse Mode恢復(fù)出的波形與模擬示波器的測(cè)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(hào)的測(cè)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(cè)量領(lǐng)域，如果更關(guān)心測(cè)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(hào)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(tái)示波器中，用戶可根據(jù)具體的測(cè)試需求選擇合適的脈沖響應(yīng)方式，無論哪種測(cè)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(hào)由于速度越來越快，對(duì)其測(cè)量時(shí)通常會(huì)使用SMA接口的同軸電纜來連接信號(hào)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(duì)于頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)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(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響（特別是信號(hào)的高頻部分），降低信號(hào)的幅度、增大信號(hào)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(huì)影響電纜的損耗特性。
在使用示波器結(jié)合同軸電纜測(cè)量脈沖信號(hào)時(shí)，為保證測(cè)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）?？梢允褂脙煞N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(zhǎng)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(cè)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(cè)量結(jié)果具有精確性和重復(fù)性，對(duì)于脈沖信號(hào)的測(cè)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(hào)源，其輸出的信號(hào)上升時(shí)間在WaveMaster8Zi上為50ps，在WavePro7Zi上為100ps。一般情況下，對(duì)示波器進(jìn)行常規(guī)的時(shí)序校準(zhǔn)時(shí)需要配備一臺(tái)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(hào)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(duì)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(hào)源并且可對(duì)該信號(hào)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(duì)該快沿脈沖信號(hào)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(duì)脈沖信號(hào)的測(cè)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(hào)的高保真測(cè)量帶來了全面的技術(shù)提升與理想的解決方案。
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