- 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
- 支持三種脈沖響應方式的特性
- 強大的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準能力
摘要：隨著速度的提升，脈沖信號的上升時間變得越來越短，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系列示波器擁有業界最高的帶寬與采樣率、全面的脈沖響應方式、有效的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準能力，為快沿脈沖信號的測量提供了全面的解決方案。
關鍵詞： 脈沖測量，帶寬，采樣率，脈沖響應方式，電纜去嵌，通道校準
一、30GHz —— 業界最高的模擬帶寬
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。對于同一個脈沖信號，使用不同帶寬的示波器所測量出的結果可能是不同的。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間越來越短，有的已經達到幾十皮秒的量級，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行測量的問題，可以根據示波器上升時間與被測脈沖信號上升時間之間的關系來衡量。如果我們以T(scope)代表示波器的10~90%上升時間，以T(signal)代表所測量脈沖信號的上升時間，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容。
表一， T(scope)/T(signal)與脈沖信號測量精度的關系
從表一中我們可以看出，為了使脈沖測量精度達到5%以上，應使示波器的上升時間小于脈沖上升時間1/3以上。例如，對上升時間在100ps以內的脈沖信號進行測量，示波器的上升時間應控制在30ps以內。我們知道，示波器的帶寬越高其對應的上升時間越短，對高帶寬實時數字示波器而言，兩者的乘積在0.35~0.51之間變動。30ps以內的上升時間將要求示波器帶寬達到16GHz以上。如果對上升時間50ps以內的脈沖信號測量，則要求示波器的10~90%上升時間必須控制在17ps以內，對應的示波器帶寬將達到25GH或者更高，業界只有力科的第四代示波器Wavemaster830Zi或825Zi能夠滿足這樣的指標要求。對脈沖信號進行精確測量，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置下有良好的 穩定度及一致性。力科8Zi系列示波器不但在帶寬上做到了業界最高的30Ghz，在示波器頻響方面也同樣做到了業界最優，從而在硬件上奠定了對脈沖信號進行精確測量的基礎。下圖二為力科Wavemaster830Zi示波器在不同垂直刻度下的實測頻響曲線，我們可以看到，各條曲線在示波器的全帶寬范圍內均保持了良好的穩定度與一致性。
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 —— 業界最高的實時采樣率對脈沖信號進行精確測量，除了要求示波器有足夠的帶寬與良好的頻響性能以外，示波器的實時采樣率也同樣是至關重要的指標。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將直接影響到恢復波形的質量及后期對信號進行測量與分析的精度。一般情況下，應該保證在信號上升沿上至少采集3到4個樣點才能比較客觀的恢復出脈沖信號的真實波形并加以測量。例如，對上升時間100ps的脈沖信號，我們應該至少使用30GS/s的采樣率對信號進行采集；而對于上升時間50ps以內的脈沖信號，則至少要求示波器的實時采樣率達到60GHz以上。力科WaveMaster8Zi系列示波器可以提供業界最高的80GS/s實時采樣率，是上升時間50ps以內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，示波器實時采樣的工作細節亦是不容忽視的環節，它將在很大程度上影響到信號采集的保真度。由于示波器架構及所使用的ADC芯片的差異，不同品牌的示波器在實際采樣時的架構是不同的。有的示波器在一路通道里使用多顆低采樣率的芯片分時復用，間隔采樣后再將樣點疊加從而達到標稱的高采樣率，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到標稱的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在對高速信號包括脈沖信號測量時，由于每顆芯片存在固有的個體差異，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的質量與測量精度。
圖三， 力科 WaveMaster8Zi系列示波器部分硬件結構框圖
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，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采樣時僅通過兩顆芯片協同工作即可完成。這樣的示波器架構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的信號一致性。
圖四，業界采樣率最高的單芯片40GS/s ADC芯片
三、支持三種脈沖響應方式 —— 業界唯一當今的高帶寬數字示波器都會采取某種脈沖響應優化方式去降低幅頻響應或相頻響應對被測信號的負面效應，業界應用最廣泛的脈沖響應方式有三種，分別為Pulse Mode、Eye Mode和Flatness Mode。
圖五，三種脈沖響應方式及對理想階躍脈沖的響應波形
如圖五所示，每種脈沖響應方式均由不同的幅頻響應及相頻響應方式組合而來，對同樣的階躍脈沖信號，不同的響應方式將恢復出不同的信號波形。例如，采用Pulse Mode恢復出的波形與模擬示波器的測量效果最為接近，因為其采用的幅頻響應更為平緩，同時其相頻響應也是因果有界的；采用Flatness Mode恢復出的波形其上升時間最短，但波形中同時包含了更多的過沖成分。這三種脈沖響應方式不存在哪個更好的問題，而是分別適應了不同信號的測試應用需求。下表總結了三種脈沖響應方式的不同特點及其各自適用的領域。
表三，三種脈沖響應方式的不同特點及其各自適用的領域
具體到脈沖測量領域，如果更關心測量的脈沖上升時間，則應選擇Flatness模式；如果更關心信號的整體波形，則選擇Pluse模式更優。力科WaveMaster8Zi系列示波器創新性地將三種響應方式納入到一臺示波器中，用戶可根據具體的測試需求選擇合適的脈沖響應方式，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可同時支持三種脈沖響應方式
四、強大的電纜去嵌功能與靈活的通道校準特性當前的脈沖信號由于速度越來越快，對其測量時通常會使用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到30GHz，理想情況下，對于頻帶范圍內的信號是沒有損耗的。實際情況中，由于導體的趨膚效應和介質的損耗，或多或少會對信號產生影響（特別是信號的高頻部分），降低信號的幅度、增大信號的上升時間。此外，不同電纜的帶寬以及損耗參數是不一樣的，電纜使用一段時間后由于SMA連接器的磨損，同樣會影響電纜的損耗特性。
在使用示波器結合同軸電纜測量脈沖信號時，為保證測量的精確性與一致性，必須去除電纜的效應。力科WaveMaster8Zi系列示波器擁有電纜去嵌（cable de-embedding）功能，在每個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，包括了電纜長度、傳輸速度、插入損耗的多項式系數；另一種是直接輸入多個頻率點的插入損耗（即S參數的S21）。電纜的特性參數可以從電纜廠商處獲得，或者使用TDR或矢量網絡分析儀測量。
圖七，電纜去嵌（ cable de-embedding）的操作界面
電纜去嵌能補償電纜在全頻段的損耗，使示波器的測量結果具有精確性和重復性，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系列示波器上還標配了快沿方波信號源，其輸出的信號上升時間在WaveMaster8Zi上為50ps，在WavePro7Zi上為100ps。一般情況下，對示波器進行常規的時序校準時需要配備一臺額外的波形發生器以及一分四功分器，將波形發生器發出的信號經過功分器之后同時輸入示波器的四條模擬通道，最后進行通道校準。對力科Zi系列示波器進行時序校準則不同，由于示波器標配了快沿方波信號源并且可對該信號進行內部觸發，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行校準，從而也就方便地完成了四條模擬通道之間的時序校準工作。
五、結語
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系列示波器在多項示波器重大指標上代表著當代實時示波器的最高水平，包括業界最高的30GHz模擬帶寬，業界最高的80GS/s采樣率，業界最快的40GS/s單芯片采樣能力，業界唯一支持三種脈沖響應方式的特性，強大的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準能力。力科Zi系列示波器的全新架構為當代脈沖信號的高保真測量帶來了全面的技術提升與理想的解決方案。
參考文獻
1. Adequate Bandwidth，Howard Johnson，LeCroy Corporation
2. Eye_Patterns_in_Scopes-designcon_2005.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation
3. Group_Delay-designcon_2006.pdf, Peter J. Pupalaikis, LeCroy Corporation
