原创 示波器基础系列之十六-示波器响应方式对信号采集保真度的影响（2）

2、脉冲响应优化类型

            示波器对阶跃脉冲的响应(Step Response) 需要从两个方面来分析，一个是幅度响应，另一个就是相位响应（或群延迟）。用户在评估一台高带宽示波器性能时，会希望采集到的信号：1、更小的过冲Overshoot ；2、更小的前冲Preshoot ；3、更快的稳定时间也就是更小的振铃；4、与示波器标称带宽所一致的上升时间。

            根据以上分析，贝塞尔幅度响应有更小的过冲或振铃，但上升时间也较慢，也会在-3dB带宽外引起采样频率混叠的负面效应；而平坦幅度响应上升时间更快，但会带来更大的过冲和振铃。至于相位响应方面，线性相位响应修正群延迟至零，降低了不同频率成分的相位不一致性，非常适合串行数据的测试和分析，比如眼图和抖动等。最小相位响应是一种“因果“响应，阶跃发生前的所有效应包括前冲都为零，是一种最接近真实世界的响应，适合通用信号测试领域，尽管它会带来最慢的状态翻转速率。

目前业界主要厂家研制的高性能示波器，对脉冲的幅度响应和相位响应可以组合成三种脉冲响应优化方式，分别是：Pulse Response采用四阶贝塞尔幅度响应和最小相位响应；Eye Diagram采用四阶贝塞尔幅度响应和线性相位响应；Flatness Response采用平坦化幅度响应和线性相位响应。

这三种响应优化类型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1总结了三种响应优化模式的不同特点和适用领域。

表1  三种阶跃响应优化模式特点总结

下图5

显示了三种示波器响应方式对输入阶跃脉冲响应效果的对比总结。

图

5  三种脉冲优化方式对比总结

从上图可分析出Pulse Mode阶跃脉冲跃迁速率最慢，前冲为零，-3dB带宽内幅度有一定衰减，-3dB带宽外幅度滚降速率较慢，在高频点群延迟不为零；Eye Mode阶跃脉冲跃迁速率较快，前冲被显著提高，因为需要达到与过冲一致的对称性，在整个带宽范围内都保持群延迟为零，特别适合眼图等串行数据分析方法，同样在-3dB带宽内幅度有一定衰减，-3dB带宽外幅度滚降速率较慢；Flatness Mode阶跃脉冲跃迁速率最快，但也有最大的过冲和前冲以及振铃等，-3dB带宽内幅频响应较平坦，超过-3dB带宽后，频响曲线急剧下降，其在通频带内能保持线性相位响应，对于纯粹正弦信号和调制波形测试来说非常合适。

3、如何选择合适的示波器响应模式

                以上分析了了几种示波器响应的不同特点，以及它们的适用领域。示波器响应优化如何提高信号采集的保真度，我们可以做出以下结论：

1、  用户输入信号与屏幕上显示的波形之间的拟合程度“永远”受到示波器响应方式的影响；

2、  任何示波器都有非理想的行为，包括幅度衰减，相位偏差，噪声波动等；

3、  每个示波器厂家都会采取某种手段去最小化示波器响应对被测信号的负面影响，通常会带来性能的折中。而且需要认识到没有哪种示波器响应是理想的，最好的响应永远取决于用户的实际应用。

一般情况下，每个示波器厂家会根据自身仪器的市场侧重点，为高带宽示波器配置上述三种脉冲响应优化的一种，比如有的仪器厂商侧重于射频信号或矢量调制信号测试领域，它的示波器就只提供平坦化的响应优化模式，而有的仪器厂商为追求更高的眼图生成效果，就只提供Eye Mode响应方式，实际上用户的需求可能是多方面的，既需要测试信号通用特性，也可能需要分析串行数据信号质量，还可能需要采集射频信号等，仅提供一种响应模式无法满足客户希望使用示波器全部价值的需求。

            力科最新推出的WaveMaster 8Zi系列高端示波器不仅具有业界最好的性能指标，包括最高的30GHz模拟带宽，最快的80GSa/s实时采样率和最深的512Mpts可分析存储深度，而且还首次实现了在同一台示波器上同时支持三种脉冲响应优化模式的功能，从而为用户的不同测试需求提供了最高的信号采集保真度。

            以16GHz带宽的 WaveMaster 816Zi为例，标称的仪器典型上升时间(10%-90%)为28ps，而三种响应优化模式分别实测的上升时间值为(Pulse Mode)29ps，(Eye Mode)27ps，(Flatness Mode)25ps；过冲值分别为2%，6%，8% ，符合本文以上的分析结果。

下图6和图7显示的是WaveMaster 816Zi示波器分别采用Flat Mode和Eye Mode响应优化方式对同一阶跃脉冲实际测量结果的对比，可以看出，Flat Mode可以得到更快的上升时间，但过冲和前冲也都相对较大；Eye Mode 测量的上升时间较慢，但过冲和前冲也都相对较小。 

图6  Flat mode阶跃响应实测测量结果

图7  Eye mode阶跃响应实测测量结果

4、结语

主流的高性能示波器厂家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，力科最新的WavMaster 8Zi系列是唯一能同时提供三种响应优化方式包括Pulse Mode、Eye Mode和Flatness Mode的高带宽示波器，用户可根据不同的应用测试需求而灵活的选择使用其中一种响应方式，从而达到了最高的信号采集保真度。

参考文献

1 Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation

2 Group_Delay-designcon_2006.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation