原创 【转】揭开测试测量的小秘密

作为测试测量工程师，经常接触和使用示波器等测试仪器是不可避免的。在日常测试工作中，你是否遇到过一些看似显而易见，却久久困惑你的一些细节问题？又或者，你在选择示波器或设置参数时，常为如何进行最佳配置而发愁。在这些看似简单的小问题中，却蕴藏了许多测试学问。

在此，EDN China邀请了安捷伦数字测量技术专家，为你揭开一个个小奥秘，带你走出测试测量的一些误区。每周我们抛出测试测量方面的三个问题，第一期的问题如下：

1、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？
 

2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？
 

3、针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器采样率越高，量测精度越高？

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问题1：针对某一特定被测信号，是否是所用实时示波器系统带宽越高，量测精度越高？

答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ： 这个问题分两部分，一个是要足够，另一是足够以后是否越高越好。首先，我们来看多少带宽算是足够，业界流传多种版本计算所需实时示波器带宽，这里要说明的是，不管有多少个经验法则或公式来估算所需示波器带宽，示波器带宽的定义没有变，就是输入一个正弦波，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的频率就等于示波器带宽。

版本1 ，利用被测正弦波号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是正弦波，则所需示波器带宽是其频率的3倍，或者所示波器自身的上升时间应该比被测正弦波信号快3倍。由于早期的示波器，不管是模拟示波器，还是数字示波器，其频率响应都是高斯频响，示波器自身带宽的定义是0.35/Tr ,  Tr为示波器自身的上升时间(10%～90%)。示波器自身的上升时间要比被测对象快3倍，因此人们在很长一段时间内使用用公式，示波器带宽＝ 0.35/Tr  x  3，这个公式的Tr指的是被测信号的上升时间(10%~90%) 。这种说法假设前提条件，就是示波器是高斯频响，被测信号是正弦波，在日常工作中，有时会忘记或忽略该前提条件(这也在示波器计量领域引起对所需阶跃信号边沿速度的争议或误解)。

版本2 ，利用被测信号方波或时钟信号频率来计算所需示波器带宽。如果被测信号是方波或时钟信号，人们认为示波器带宽因该至少能够观察到5次谐波。这种说法同样存在假设前提条件，就是被测方波信号的5次谐波能量仍在示波器本底噪声之上，而7次谐波在淹没在示波器本底噪声中，问题是，这一点如何来确定，比如PCI-E 3.0 的信号速率是8Gbps，基波是4GHz，五次谐波是20GHz，那么PCI-E 3.0的测试一定需要20GHz 带宽吗？答案是如果其5次谐波能量很小，落在你所用的示波器本底噪声之下，你用20GHz带宽示波器仍然观察不到5次谐波。

版本3，利用被测信号的最快上升时间来确定所需示波器带宽。这是精确量的公式，因没有特定的假设前提条件，适用于更多的场合。该公式出自Howard W Johnson 的一本书《High Speed Digital Design --- A handbook of Black Magic》，假设您可以接受3%的测量误差，被测信号给出10%~90%的上升时间，则公式是  示波器带宽 ＝ 0.5/Tr x 1.4 ，若给出的上升时间是20%~80%，则公式是示波器带宽 ＝ 0.4/Tr x 1.4 .  详情可参见技术文章http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-5733CHCN.pdf

回到问题本身，如果示波器带宽超过所需的实际带宽，测量的精度会变得更好吗？答案是取决于你怎么用，如果你用的是示波器的满带宽，测量精度只会变地更差；如果你使用该示波器的带宽限制功能，则测量精度有可能变得更好或不变。这是因为所有示波器都有本底噪声，其中白噪声占很大比重，白噪声本身是无限宽带噪声，示波器带宽越大，进来的噪声也越多，从而使得测量精度越差。因此大多高端示波器都支持带宽限制功能（有时也称作降噪功能），可以将示波器带宽降低，典型的应用如电源噪声测试，工程师有时会故意将示波器带宽限制设置为20MHz，而不是用其满带宽设置，另一个例子是USB2.0的测试，USB-IF建议使用2.0GHz带宽示波器，如果你碰巧有一个8GHz示波器，有机会发现，2.0GHz带宽示波器测试通过的情况，而用该示波器测试不通过，而你将该示波器带宽限制为2.0GHz，测试又通过了。  那么会不会出现，将25G Hz带宽限制到2.0GHz带宽测量结果比使用一台2.0GHz带宽更精确呢？有可能，如果你的25GHz示波器是低噪声半导体工艺示波器，比如DSOX92004A 或DSOX92004Q ，其采用磷化铟半导体工艺，相同带宽限制下，其本底噪声是所有示波器中最底的。目前采用磷化铟技术的示波器，最高指标是实时带宽63GHz，DSOX96204Q  ，于2012年4月，由安捷伦科技推出。

问题2、目前的示波器校准仪只能工作到6.4GHz带宽，目前有大量示波器带宽已经超过6GHz，甚至60GHz , 这样的高带宽实时示波器，如何进行计量？

答案(安捷伦科技杜吉伟提供) ：现在实时示波器最高带宽是安捷伦科技推出的63GHz示波器，除了这款63GHz带宽实时示波器外，市面上的示波器带宽有50GHz, 33GHz, 30GHz, 28GHz ,25GHz , 20GHz , 16GHz, 13GHz , 12GHz,  8GHz等，示波器的计量参数有很多，有很多不会随着示波器带宽变化而变化，有两个项目的计量的确会随着带宽提升而变化，包括-3dB带宽和示波器上升时间。-3dB带宽可以使用扫频信号源，比如安捷伦科技的PSG, 可输出高达67GHz的正弦波。上升时间的计量则可使用安捷伦科技提供的N2806A阶跃产生器，安捷伦科技内部就是使用该阶跃产生器计量其示波器产品的，该产品的详细信息，可参见http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-0263EN.pdf ，其中也介绍了如何结合精密电缆(PrecisionProbe)软件来消除计量中所用电缆或探头带来的误差。   这里面有一点和大家分享一下，对高斯频响示波器，流传一个说法，示波器的上升时间应该是被测对象的3倍，该说法不适用于现代高端实时示波器，因为他们的频响都不是高斯频响，大多是最大平坦度频响，或者介于高斯和最大平坦度频响之间。

问题3：针对某一特定被测信号，是否是所用示波器采样率越高，量测精度越高？

答案(安捷伦科技杜吉伟提供)：示波器的采样率首先要够，也就是说，对高斯频响示波器，其采样率应该是带宽的4倍或以上，对最大平坦度频响示波器，其采样率应该是带宽的2.5倍或以上(典型产品举例，安捷伦DSOX3104A 1GHz带宽示波器，采样率由 5GSa/s采样降低为2.5GSa/s采样，仍可保证1GHz带宽)，对高斯频响的7104B系列示波器，其采样率由4GSa/s降为2GSa/s，则实时带宽也会从1GHz降到500MHz。

其次，并不一定是采样率越高，量测精度越高。这时因为，采样率较高的情况下，要做到采样等间距不是件容易的事情，在有些情况下，情况正好相反。下图给出三种不同的实例。

图1、用6GHz带宽示波器测量100ps上升沿（20%~80%）的1.25GHz方波，20GSa/s和40GSa/s采样率对上升时间的测量结果是一样的。

 

 
图2、观察1GHz正弦波，4GSa/s的采集和测量结果比20GSa/s采样率的结果更加准确，同样的结果也体现在有时候，50GSa/s 比100GSa/s采样率测量精度更高，这在厂家的技术手册上也有说明，对于有的被测信号，如基波频率分别为3GHz, 4GHz ,5GHz的应用，SATA 6Gbps , PCI-E 8Gbps , 10Gbps , 根据有些示波器的Technical Reference Manual , 其ADC等效位数在100GSa/s采样下，更差，反而是50GSa/s更好。 如下图所示

 

图3、以示波器的有效位数为例子，上图来自示波器的技术参考手册，针对基波频率是3GHz, 4GHz ,5GHz，6GHz 的情况下，示波器的实际有效位数反而是50GSa/s比100GSa/s更好。

这里无意对比不同厂家的示波器，只是说明一下，采样率越高，测量精度越高，貌似正确，但并不是适用于所有场合，因为人们往往忽略了某些假设前提的存在。