中心議題：

• 示波器的反應系統：高斯型反應系統和磚墻型反應系統
• 提高示波器采樣頻率，抑制圖像混淆現象
• 根據性能要求選擇示波器

工程人員在進行高速數字信號測量時，通常需要具備兩種測量技術的基礎知識。一個是理解有關探針(Probe)等測試附件的特性，另外一個就是要了解測試儀器本身，通常就是指示波器（Oscilloscope）的頻率反應特性。下面就來探討示波器的兩種反應特性及不同反應特性對系統的影響和區分。

示波器的反應特性會對信號的波形有所影響，并改變信號上升時間的計算。當Pentium 4進千兆赫時代后，Serial ATA及PCI Express等高速接口或總線也陸續超越了Gbps，選擇適當的探針當然是一件重要的事，但選擇合適的示波器也是不可欠缺的工作。

測量波形從輸入連接器經過采樣和信號處理顯示在屏幕上，同時保存數據。一旦選擇了不適當的示波器，波形就可能變形。尤其在測量像PCI Express高速串行接口的波形時，不僅要衡量采樣頻率及帶寬，還必須對示波器的反應特性有所認知。比如，在測量非常陡峭的信號變化時，會因為示波器反應特性的差異而有所不同。

示波器的反應系統：高斯型反應系統和磚墻型反應系統

示波器的反應特性泛指從輸入端的連接頭到畫面顯示整個測量系統的“傳遞特性”。通?？梢苑譃楦咚?Gaussian Response)型反應系統和磚墻(Brick-wall Response)型反應系統兩大類。磚墻型反應系統也稱平坦反應型(Flat Response)。

要區分或比較這兩類系統的差異，最簡單的方法就是看“-3dB頻率特性”及“步級(Step)波形的反應”這兩個基本參數。

常用的模擬示波器屬于高斯型反應系統，其頻率特性會在右肩端緩慢下滑，而步級波形的輸入即使再陡峭，也不容易產生波形失真，即不會產生步級波形瞬間的前沖(Preshoot)、波形后的過沖(Overshoot)或波形上下震動的振鈴(Ringing)等現象。在測量短過渡時間的數字電路信號時，這是很理想的特性。

模擬示波器必須將輸入端輸入的數mV微小電壓信號經過幾級的放大電路，變換成數百mV的電壓，以確保足夠驅動CRT顯示。這些放大電路的頻率反應特性正是高斯型的。

而在測量高速串行接口的波形時，一般采用實時采樣方式的寬帶數字示波器，這類示波器多采用磚墻反應型的應答系統。

磚墻反應型的應答特性又稱“最高平坦應答”，在頻帶內頻率響應極為平坦，而到了頻帶外的轉降(Roll-Off)時，信號相當陡峭。像這樣理想的頻率特性，在頻帶內的信號振幅是不會有衰減現象發生的。超過頻帶之外，信號振幅就成為零。

與高斯反應示波器相比，磚墻反應型示波器還是有幾個缺點：

• 對于輸入步級波形的反應，容易出現前沖或過沖波形
• 示波器上升時間較長，換言之，就是反應比較慢

這里所說的示波器上升時間，是指步級輸入對應到輸出波形的上升時間。這個時間越短，代表示波器越能忠實地展現出從輸入連接器端測量到的波形。因此，示波器上升時間就是其高頻特性的代名詞。同時，數字信號的上升時間，一般是指從低位階遷移到高位階的時間。通常指信號位階10%～90%的上升遷移時間，而對于高速數字通信來說，大多是指20%～80%的時間遷移。

下面這兩個數學式可用來估算磚墻反應型及高斯反應型示波器的上升時間：

磚墻反應型示波器的上升時間(ns)=0.45/帶寬(GHz)
高斯反應型示波器的上升時間(ns)=0.35/帶寬(GHz)，理想上應該是0.338/帶寬(GHz)

舉例來說，一個帶寬為6GHz的示波器，高斯反應型示波器的上升時間約為58ps，而在目前主流的同等帶寬磚墻反應型示波器的上升時間約為70ps。

盡管磚墻反應型示波器的上升時間略遜一籌，實時采樣的寬帶數字示波器機種主要還是采用磚墻反應型的應答特性。仔細探究起來，主要的內在理由有二。其一，是要回避輸入信號與輸出信號電壓振幅的誤差，因為高斯反應型示波器在頻帶內的振幅誤差太大。從圖2所示兩種示波器的頻率響應圖可以看出它們在這方面的優劣。假設輸入信號帶寬為1GHz，采樣頻率4GHz，由圖2所示可看出，高斯反應型示波器的頻率特性在右肩緩慢下滑，尤其在超過帶寬1/3的頻帶領域，波形明顯衰減，即信號誤差大。
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提高采樣頻率 抑制混淆現象

高速數字示波器選用磚墻反應型的另外一個重要原因，是要回避或盡量減小圖形混淆(Aliasing)現象。使用數字示波器測量高速信號時，會產生圖形混淆現象，主要因為在重現采樣的高速信號時，某些信號混入了不必要的波形。這些混入的信號頻率成分會對原來的信號波形造成失真，嚴重的話還會引起測量誤差。

圖形混淆現象多數發生在模擬數字轉換器的連續信號中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)頻率的成分，也就是采樣頻率的二分之一。這個成分在尼奎斯特頻率領域內折返，出現在示波器測量帶寬內。從頻率特性圖中可以清楚看出，磚墻反應型示波器的圖形混淆影響微乎其微。

同樣條件下，能夠明顯看出超越尼奎斯特頻率2GHz的領域中，幾乎沒有信號，可以抑制混淆現象的發生。

另外，如果以20GHz、10GHz與5GHz三種不同的采樣頻率測量一個周期2.2ns、上升時間約90ps的波形，會得到不一樣的結果。采樣頻率越低，上升時間的實際測量值越長，波形越不能忠實地呈現。

目前高速串行接口測量所使用的實時采樣寬帶數字示波器，高性能的機種所搭載模擬數字轉換器的采樣頻率高達20GHz左右。一般為了降低圖形混淆現象發生，高斯反應型示波器采樣頻率需是輸入信號的4～6倍，而磚墻反應型示波器僅需2.5倍。

通常情況頻帶都低于1GHz，因此大多采用高斯型反應系統，而高于1GHz的儀器則大多采用磚墻反應型系統。表2所示是兩種反應型示波器的優缺點對比。

根據性能要求選擇示波器

那么，如何來選擇最適合的示波器呢？有4個簡單的步驟：

算出測量信號的最高頻率成分fmax。即信號頻率成分的上限，可以通過測定信號的上升時間計算出來。假設上升時間由20%遷移到80%，可利用(0.4/信號上升時間)的數學式估算其約略值，而非直接從數據傳輸速率來估算。以當紅的第三代總線PCI Express來說，多數情況下其上升時間約為100ps。

選擇示波器的反應特性。即在高斯型反應系統與磚墻反應型系統內選擇一個合適的，一般測量高速串行接口或總線的應用多數選擇后者。

必須把握必要的輸入帶寬。它與上升時間的測量誤差有關。有一家儀器公司做過仿真的實驗：若磚墻反應型系統允許3%的誤差，帶寬可以用(1.4×fmax)來計算；誤差若抑制在10%，用(1.2×fmax)來計算；20%的容許誤差時，則用(1.0×fmax)來計算。

估算最低的采樣頻率值。該數值會利用到上面的帶寬值，就磚墻反應型示波器來說，最低需要(2.5×帶寬)。

利用上面四點可以說明一個案例：上升時間100ps的數字信號，其fmax為4GHz，選擇磚墻反應型示波器，假定上升時間的誤差局限于3%，那么輸入信號的帶寬為5.6GHz，因此，采樣頻率最低也需要14GHz。

若采樣頻率14GHz應用在高斯型反應系統時，輸入的帶寬就變成3.5GHz，可以測量的信號上升時間為220ps，與磚墻反應型系統比差了一半。有些寬帶實時示波器依賴數字信號處理的活用，來實現磚墻反應型系統的特性。畢竟，單靠電路技術很難實現理想的特性。

總之，帶寬及采樣頻率的合適與否，是選擇昂貴示波器時的重要指針。此外，理解測試儀器的特性，也是掌握正確測定的關鍵要素。