實時寬帶示波器在快沿脈沖測量中的應用*

黃坤超,張靖悉,周 燁

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

實時寬帶示波器在快沿脈沖測量中的應用*

黃坤超**,張靖悉,周 燁

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

脈沖信號的廣泛應用使得對其測量準確度提出更高要求,而脈沖信號上升沿變窄的趨勢則增加了測量難度。為了更精確地測量脈沖信號并保證測量結果準確可靠,分析了高性能實時寬帶示波器在帶寬、采樣率、底噪、電纜去嵌和匹配校準快沿脈沖等方面的優(yōu)點,討論了其用于脈沖信號測量和校準所具有的無可比擬的精準性,說明了其作為脈沖信號測量和脈沖參數(shù)計量具有無可替代的作用。最后通過一個實例介紹了對10 ps以內快沿脈沖進行測量和校準的方法。

脈沖信號測量;快沿脈沖;高性能實時寬帶示波器;脈沖參數(shù)計量

1 引 言

脈沖信號在無線電測量領域的廣泛應用使其測量技術成為無線電信號特性測量技術中不可或缺部分。隨著通信技術、計算機技術的迅猛發(fā)展,脈沖信號的上升沿變得越來越陡峭,隨之帶來脈沖信號的測量需要更短的測量時間、更寬的頻帶范圍以及更小電纜損耗,而在測量準確度方面的要求更是大幅提升。示波器作為時域測量的經典儀器是測量脈沖的主要儀器,傳統(tǒng)示波器實時帶寬的提升速度難以跟上脈沖邊沿變快的節(jié)奏,傳統(tǒng)的高速脈沖信號的測量主要依靠基于多周期取樣變頻的寬帶取樣示波器。由于其非實時采樣方式,取樣示波器只能解決周期性高速脈沖信號的測量問題,不能測量工程中常需要測量的非周期快沿脈沖信號。

測量準確度的高要求是以測量結果的準確溯源為基礎的,基于寬帶取樣示波器的高速脈沖測量也使測量結果的溯源陷入了一個怪圈,測量準確度不能充分保證。為了保證量值的準確可靠,目前在脈沖參數(shù)計量領域廣泛采用標準脈沖法對量值進行溯源。溯源環(huán)節(jié)首先從使用具有陡峭邊沿的標準脈沖對取樣示波器進行精確校準開始,接著這一標準脈沖又需要上升時間更小的另一臺校準好的取樣示波器進行校準,這種標準脈沖和校準儀器相互依存的關系,讓整條溯源鏈陷入了困境,這一問題成為脈沖參數(shù)計量的最大瓶頸,人們總是在尋找更陡峭的邊沿脈沖和更高帶寬的取樣示波器。

近來磷化銦技術的誕生終于為示波器技術的突破帶來了契機,高性能實時寬帶示波器應運而生。借助磷化銦技術,它可提供極高的實時帶寬和采樣率指標,擁有夠低的本地噪聲和優(yōu)異的脈沖響應,具備精密的電纜校準補償技術,并可獲得與其校準頻段相匹配的快沿脈沖,從而實現(xiàn)對快沿脈沖的精確測量和量值溯源。

2 高性能實時寬帶示波器在精確測量中的作用

2.1 陡峭上升沿的準確捕獲

高速脈沖信號最顯著的特點就是陡峭的上升沿,為確保高速應用領域的脈沖信號的測量精度,首要任務就是無失真地捕獲其陡峭的邊沿。高速脈沖信號通過測量系統(tǒng)時其上升邊沿往往會產生失真,使得測量的上升時間比實際情況要慢很多,傳輸損耗、相位負面效應產生的群延遲和帶寬的限制是致使失真的最主要因素。為了準確捕獲快沿,必須減少傳輸損耗、提高測量系統(tǒng)的帶寬和消除群延遲。然而,受技術的限制,一般的測量系統(tǒng)很難同時消除這三個影響測量精度的因素。高性能實時寬帶示波器在這三方面的性能均表現(xiàn)突出,這使得其成為測量高速脈沖信號的最佳選擇。

2.1.1 全面捕獲有價值的諧波分量

眾所周知,時域中陡峭的上升沿對應著頻域中豐富的諧波分量,即更寬的帶寬。要準確測量上升時間,測量儀器必須能夠保證脈沖信號中有價值的頻譜分量全部通過,也就是說測量儀器的帶寬必須足夠寬[1]。

頻域中的-3 dB帶寬與時域中上升時間的關系可以用一個反比關系式表示:

其中,Bw為-3 dB帶寬,a為反比系數(shù),tr為上升時間[2]。這個關系式既適用于信號本身也適用于測量儀器。利用示波器測量脈沖信號,測量得到的上升時間可由信號上升時間和示波器上升時間的方和根求得

其中,tro為測量所得上升時間,trp為信號上升時間, tro為示波器上升時間[3]。根據(jù)上述關系,假設被測信號上升時間Tsignal與示波器建立時間Tscope之比為N,則測量精度為-1,N取不同值時測量精度如表1所示。由表1可以看出,當示波器的建立時間小于脈沖上升時間的1/3,此時,脈沖測量精度可以高于5%。

表1 脈沖信號測量精度與N的關系Table1 Relationship between pulse measurement accuracy and N

以往提高示波器帶寬的方法主要依賴于下變頻或者傳統(tǒng)硅鍺工藝,到20 GHz實時帶寬以上就很難保證測量精度。一般情況下,高帶寬實時數(shù)字示波器帶寬與上升時間的反比系數(shù)大致在0.35～0.51范圍內,要達到5%的測量精度,那么20 GHz的實時寬帶示波器只能捕捉最快為50 ps的快沿,這顯然不能滿足需求,以示波器檢定為例,目前國內普遍使用的最尖端的FLUKE有源信號探頭已能夠產生25 ps的快沿信號。高性能實時寬帶示波器采用RealEdge定制芯片技術,在實時帶寬方面有了質的飛躍,可在兩個通道上提供高達63 GHz帶寬,其頻響曲線在不同垂直刻度設置下有很好的一致性和穩(wěn)定度(優(yōu)良的頻響指標為信號精確測量提供可靠的穩(wěn)定度,帶寬高于30 GHz時3 dB以內為優(yōu)),可捕獲5 ps的上升時間,這為快沿脈沖測試帶來了極大的方便,完全解決了目前普遍的快沿脈沖的測試難題。

2.1.2 徹底消除相位響應的負面效應

脈沖響應方式表征示波器如何最優(yōu)化處理輸入信號各頻率成份的幅度和相位,不同響應方式會再現(xiàn)不同細節(jié)特征的階躍脈沖激勵。脈沖響應方式從兩個方面來影響波形擬合,一個是幅度響應,另一個是相位響應,其中,相位響應的負面效應就是群延遲。當信號頻率較高時,這種負面效應不容忽視,會導致示波器的上升時間變慢,且?guī)泶蟮亩秳釉氲?。顯然,示波器相位響應的好壞直接影響了快沿脈沖的測試精度[4]。

高性能實時寬帶示波器充分利用尖端的磷化銦技術和快膜封裝技術,借助氮化鋁散熱,不但能提供極高的帶寬指標,還擁有了相當?shù)偷谋镜自肼暫捅镜锥秳?使脈沖相位響應無比優(yōu)異,對于快速邊沿的脈沖信號能更加準確的查看。圖1為高性能實時寬帶示波器本底噪聲與傳統(tǒng)示波器本底噪聲的比較圖。

圖1 高性能實時寬帶示波器本底噪聲與傳統(tǒng)示波器本底噪聲Fig.1 Background noise of high performance real-time wideband oscilloscope and traditional background noise

2.1.3 降低電纜損耗找回裕量

電纜是運載信號的運輸工具,無論用何種儀器測量都必須使用電纜將信號傳送到測量儀器。除了帶寬和群延遲,影響快沿信號準確捕捉還有一個不容忽視的因素,那就是電纜損耗。隨著快沿信號的沿越來越陡峭,測量帶寬越來越高,導體的趨附效應和截至損耗越來越凸顯,電纜損耗問題日益嚴重,產生的嚴重后果就是降低信號幅度,增加信號上升時間[5]。此外,經過長時間的使用,其材質會老化,電纜的損耗特性也會增加,那么不同的電纜帶寬以及損耗參數(shù)不一樣,即使是同一類電纜其特性也迥異。

為降低電纜損耗在快沿脈沖測量中的影響,我們采用高性能實時寬帶示波器的電纜去嵌(Cable De-embedding)功能,根據(jù)實際測得的電纜損耗,對測量系統(tǒng)進行補償,找回因電纜而損失的寶貴裕量。具體操作可分兩種方法來輸入電纜的特性:一種是電纜的衰減常數(shù),包括了電纜長度、傳輸速度、插入損耗的多項式系數(shù);另一種是直接輸入多個頻率點的插入損耗(即S參數(shù)的S21)。電纜的特性參數(shù)可從廠商處獲得,或用矢量網絡分析儀測量。電纜去嵌能補償電纜在全頻段的損耗,使測量結果更加精確和一致。

2.2 上升沿細節(jié)的精確捕捉

很多時候,我們需要關注信號的細節(jié)。為了使測量更加精確,脈沖信號陡峭邊沿的準確捕捉還不僅僅是我們的目標,邊沿中隱藏的波形細節(jié)也是不容忽視的,它很有可能成為發(fā)現(xiàn)或解決問題的關鍵。如何抓住波形細節(jié),選擇高采樣率測量儀器是關鍵。

快沿脈沖信號邊沿常出現(xiàn)不穩(wěn)定因素如非單調,且這些不穩(wěn)定因素出現(xiàn)的時間很短,需要具備高采樣率才能捕獲到這樣的細節(jié)。比如在快沿脈沖上升沿存在一個100 ps的回溝,如果用10 Gsample/s采樣率采樣,兩個采樣點之間的時間間隔正好是100 ps,在這種情況下不能正確采集到回溝是個大概率事件,必須提高采樣率,但到底需要多高的采樣率呢?嚴格來講,若要比較客觀地恢復快沿脈沖真實波形后對其實時測量必須確保在上升沿中至少采集3～4個采樣點,也就是說測量上升沿100 ps的信號,至少需要30 Gsample/s的采樣率。圖2描述了上升沿與采樣時間間隔的關系,可見固定采樣率,上升沿越短,兩個相鄰采樣點之間的盲區(qū)就越大,盲區(qū)中包含的信號細節(jié)內容就不能被查看。

圖2 上升沿與采樣時間間隔Fig.2 Rising time and sampling interval

傳統(tǒng)的示波器提高采樣率的方法是基于多顆分時復用的低采樣率芯片,經間隔采樣再進行樣點疊加以獲得高采樣率。這種存在個體差異的芯片疊加為沖激電平噪聲和測量誤差,極大影響波形擬合質量和測量精度。高性能實時寬帶示波器為每個單一通道配備了一顆高速采樣芯片,高速采樣芯片的利用,減少了復用芯片的數(shù)量,解決了沖激電平噪聲的問題,讓快沿中的不穩(wěn)定細節(jié)一覽無遺?，F(xiàn)已做到單通道采樣速率高達80 Gsample/s,并且支持兩通道復用,也就是說最高可提供160 Gsample/s實時采樣率,可以捕捉到20 ps快沿脈沖信號的大量細節(jié),這已基本滿足了當前對快沿細節(jié)捕捉的需求,而且隨著對磷化銦技術的深入利用,采樣率將進一步提高,很快將會實現(xiàn)對10 ps以內脈沖信號的上升沿細節(jié)捕捉。

3 匹配校準快沿脈沖使測量得以溯源

如前所述,高性能實時寬帶示波器已能完全解決現(xiàn)階段及未來一個時期的快沿脈沖測量需求,然而為了使測量結果可靠,必須對高性能寬帶示波器進行校準。由于快沿脈沖發(fā)生器目前最先進的就是FLUKE公司的25 ps有源信號探頭(配合其示波器校準儀使用),難以對20 GHz以上寬帶示波器使用標準脈沖法進行校準。而國家基準7 ps是基于NTN技術,只能對取樣示波器進行校準,且校準時必須同時具備一臺與被校示波器一樣的示波器,操作復雜。磷化銦技術不但提升了示波器指標,還催生了與高性能示波器校準頻帶相匹配的快沿脈沖發(fā)生頭的同期面市。借助磷化銦技術的快沿頭,可產生5 ps的信號邊沿,結合精密電纜校準補償技術,對所用的探頭和電纜進行交流校準,校準帶寬可達63 GHz。這就充分解決了高性能實時寬帶示波器的校準問題,使其測量值得以溯源。

4 測量實例

現(xiàn)對工程中遇到的一個實際快沿信號進行測量,已知其上升時間為20 ps左右。

4.1 測量及校準儀器

(1)要對上升沿在20 ps以內的快沿脈沖進行精確測量,示波器帶寬必須大于20 GHz,采樣率大于150 Gsample/s。這里選擇安捷倫DSOX95004Q型號的示波器,可在兩個通道上提供50 GHz帶寬、160 Gsample/s采樣率。

(2)DSOX95004Q上升時間典型值為7 ps(20%～80%),匹配校準快沿頭選擇N2807A,可生成5 ps (20%～80%)的信號邊沿。

4.2 測量流程

在對快沿信號進行測量前,必須對用于測量的示波器進行校準,以保證量值溯源,當確認示波器指標在誤差范圍之內,才能用此示波器進行測量。具體的測量步驟和校準連接方式如圖3和圖4所示。

圖3 快沿脈沖測量和校準的步驟Fig.3 Steps of fast-edge pulse measurement and calibration

圖4 校準連接框圖Fig.4 Connecting figure of calibration

4.3 結果分析

(1)校準時,示波器測量顯示的快沿頭上升時間為9.1 ps,快沿頭實際上升時間為5 ps,由公式(2)計算示波器上升時間為7.6 ps,上升時間合格,可以用于20 ps以內的快沿脈沖上升沿的測量量傳。

(2)示波器在Realedge模式下捕獲到了輸入的快沿信號,此時采樣率為160 Gsample/s,在非插值情況下,可以清晰地觀測到上升沿中采集到了3個采樣點,上升沿單調無回溝,上升時間由示波器自動測量功能得到,其值為19.7 ps。

5 結 語

示波器的帶寬、采樣率與脈沖響應方式等指標特性決定了對脈沖信號的測量能力。基于磷化銦技術的高性能寬帶實時示波器在帶寬、采樣率、底噪、脈沖響應等方面的革新標志著它已全面進入微波測量應用,再加上與之校準頻帶相匹配的快沿脈沖,這將使其成為脈沖(尤其是非周期快沿脈沖)測量及脈沖參數(shù)計量的支撐性儀器。

[1] 郭戊生,古天祥.電子儀器原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989:192-193.GUO Wu-sheng,GU Tian-xiang.Electronic Instrument Principles[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1989:192-193.(in Chinese)

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[3] 陳光禹,王厚軍,田書林,等.現(xiàn)代測試技術[M].成都:電子科技大學出版社,2002:81-82. CHEN Guang-ju,WANG Hou-jun,TIAN Shu-lin,et al. Modern Measurement Technology[M].Chengdu:Electronic Science and Technology University Press,2002:81 -82.(in Chinese)

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HUANG Kun-chao was born in Renshou, Sichuan Province,in 1971.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research interests include measurement technology and instrument.

Email:kunchaoh402@126.com

張靖悉(1984—),女,四川巴中人,碩士,助理工程師,主要研究方向為測試測量技術與儀器;

ZHANG Jing-xi was born in Bazhong,Sichuan Province, in 1984.She is now an assistant engineer with the M.S.degree. Her research interests include testing&measurement technology and instrument.

周 燁(1982—),男,四川成都人,工程師,主要研究方向為測量技術與儀器。

ZHOU Ye was born in Chengdu,Sichuan Province,in 1982.He is now an engineer.His research interests include measurement technology and instrument.

Application of Real-time Wideband Oscilloscope in Fast-edge Pulse Measurement

HUANG Kun-chao,ZHANG Jing-xi,ZHOU Ye
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The extensive application of pulse signal requires more accurate measurement.Meanwhile,increasing short of rise time adds to the difficulty of measurement.To make the measurement more accurate and ensure the measurement result reliable,this paper analyzes the advantages of high performance realtime wideband oscilloscopes in bandwidth,sampling rate,background noise,cable de-embedding and fastedge pulse for calibration,discusses the overwhelming precision when the oscilloscopes are used for measurement and calibration of pulse signal,and explains that they play an irreplaceable role in pulse measurement and calibration.Finally,it introduces a method for measurement and calibration of fast-edge pulse within 10 ps rise time through an example.

pulse measurement;fast-edge pulse;high performance real-time wideband oscilloscope;pulsemetrology

date:2013-05-28;Revised date:2013-11-18

**通訊作者:kunchaoh402@126.com Corresponding author:kunchaoh402@126.com

TN06;TB973

A

1001-893X(2013)11-1532-05

黃坤超(1971—),男,四川仁壽人,碩士,高級工程師,主要研究方向為測量技術與儀器;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.11.024

2013-05-28;

2013-11-18