揭开测试测量的小秘密——每周一考【第1周】

2015-06-25 10:40:24来源: eechina
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?

 

--------------------我是答案分界线-------------------------------

 

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。


关键字:测试测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0625/article_12099.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
测试测量

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved