從信號完整性角度談選擇示波器

我們經(jīng)常聽到身邊的硬件工程師們提到關(guān)于信號完整性的話題。 那么信號完整性具體是指什么呢？

信號完整性（Signal Integrity：簡稱SI），指信號線上的信號質(zhì)量，是信號在電路中能以正確時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。

當(dāng)電路中信號能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收端時(shí)，該電路就有很好的信號完整性。信號完整性問題包括誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖等，會造成時(shí)鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，信號完整性是必不可少的考慮因素，當(dāng)然，在信號測試和調(diào)試環(huán)節(jié)，我們也應(yīng)對信號完整性問題引起重視，否則會引起測量結(jié)果誤差，影響工程師判斷，調(diào)試和改進(jìn)電路的方向。

在基礎(chǔ)的電子信號測量中，我們通常會選用示波器來對信號進(jìn)行測量。因此，如何選擇一款有利于信號完整性測量的示波器尤為重要。

接下來我們主要從幾個(gè)大方向介紹了哪些因素會影響信號完整性的測量。（文中主要討論的為數(shù)字示波器）。

No.1

帶寬

帶寬是我們對于示波器最直接認(rèn)知的一個(gè)指標(biāo)，他指的是當(dāng)頻率提高到某個(gè)值，輸入信號幅值剛好被衰減3dB 時(shí)所對應(yīng)的頻率點(diǎn)。

對于信號完整性測量來說，帶寬越高越好。這句話從某種意義上來講是正確的。

我們知道，任何信號都可以分解成無數(shù)次諧波的疊加。理論上來說，帶寬覆蓋被測信號能量的99.9%，測量的誤差可以小于3%。

根據(jù)我們一貫的經(jīng)驗(yàn)，帶寬的要求是被測信號的5倍。但是有這樣一種信號，他的基頻很低，但是卻有快速的上升時(shí)間，很有可能會引起振鈴現(xiàn)象，這意味著高次諧波能量占的比重大。

這個(gè)時(shí)候，5倍法不再適用，并且我們無法得知，哪個(gè)頻率點(diǎn)我們剛好能覆蓋99.9%的能量。如果選擇的帶寬較低，則意味著這些高頻分量會被漏掉，我們沒法準(zhǔn)確地在示波器上重建信號。

所以，我們在考慮如何選擇示波器時(shí)，不僅要考慮帶寬的影響，同時(shí)也需要考慮到上升時(shí)間的影響。這兩者都是影響信號完整性的重要因素。

No.2

上升時(shí)間

事實(shí)上，上升時(shí)間并不僅僅指前文我們提到的信號的上升時(shí)間，對于示波器來講，也是具有上升時(shí)間這個(gè)指標(biāo)的。

我們?yōu)槭裁窗焉仙龝r(shí)間拿到和帶寬同等的高度來分析它？

試想，兩個(gè)具備相同帶寬性能的示波器卻具有不同的上升時(shí)間。那么對于我們測量信號而言，選擇哪一個(gè)才能更加準(zhǔn)確地測量信號？

尤其是在測量一些快沿和高速串行信號等復(fù)雜信號時(shí)。

首先我們先明確示波器的上升時(shí)間指的是什么。

理論上來講，他是示波器放大器的階躍響應(yīng)，反映的是示波器前置放大器的瞬態(tài)響應(yīng)能力?；赗C模型的高斯響應(yīng)我們可以推導(dǎo)出：

上升時(shí)間=0.35/帶寬

事實(shí)上，實(shí)際示波器帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系可能是0.35-0.5。這取決于示波器頻響曲線的形狀，有些示波器使用的是高斯型，有些是四階貝塞爾型，有些是升余弦型。

但在實(shí)際測量中，示波器配合探頭測量信號，這樣，示波器和探頭就組成了一個(gè)系統(tǒng)，我們可以得到以下的結(jié)論：

Rise_Time Measure2

=Rise_Time scope2

+Rise_Time Probe2

+Rise_Time Signal2

示波器和探頭的上升時(shí)間越小，越有利于真實(shí)地重建信號，對信號測量的誤差影響越小。

這意味著就算是相同的帶寬，示波器測量信號完整性的能力還可以通過示波器的上升時(shí)間來加以區(qū)分。

示波器真實(shí)的上升時(shí)間無法通過帶寬來進(jìn)行計(jì)算，最可靠的方法只能是通過一個(gè)理想的階躍信號去測量。

No.3

頻率響應(yīng)

除了考慮上述帶寬和上升時(shí)間以外，同時(shí)我們也應(yīng)考慮在帶寬內(nèi)，是否具有平坦的響應(yīng)。

不平坦的帶內(nèi)響應(yīng)，很有可能會導(dǎo)致信號的失真。所以，我們在示波器具備相同帶寬的同時(shí)，我們也可以要求示波器廠商提供示波器的頻響圖，以便考察。

如圖為SDS3000X示波器的幅頻特性曲線，可以看出，4個(gè)通道在帶內(nèi)的曲線都很一致且平滑。

圖1 SDS3000X示波器幅頻特性曲線

No.4

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數(shù)字示波器的本質(zhì)是將模擬信號采樣為一個(gè)一個(gè)的離散點(diǎn)。

連續(xù)的模擬信號在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的離散化過程中，由于沒有無限數(shù)量的離散化的數(shù)字電平來重組連續(xù)的模擬信號，實(shí)際的模擬電壓值與對應(yīng)的數(shù)字化電平值之間總會有偏差，這個(gè)偏差值叫量化誤差。

而模數(shù)轉(zhuǎn)化器（ADC）的位數(shù)則決定了示波器的最小量化電平，也確定了數(shù)字示波器的分辨率。

ADC的位數(shù)越高，則分辨率越高。8位的ADC代表了28=256個(gè)量化級別；10位的ADC則代表了210=1024個(gè)量化級別；12位的ADC代表了212=4096個(gè)量化級別。

ADC的位數(shù)越高，則意味著量化誤差則越小，越有利于信號完整性測量。

除此之外，在我們只能選擇既定的ADC位數(shù)的示波器之后。要想獲得最佳的分辨率，要盡量讓波形占滿柵格，才能充分利用ADC的范圍。如果只讓波形占1/2柵格，則測量精度會下降到7-bit。因此合理地選擇選擇垂直縮放的設(shè)置，能獲得更加精確的測量結(jié)果。

如下圖所示為分別讓信號占據(jù)滿柵格，1/2柵格，1/4柵格….的情況，可以看到，測量的結(jié)果出入很大。

圖2不同情況下的測量結(jié)果

No.5

ENOB

ENOB（Effective number of bits）是衡量示波器動態(tài)性能的一個(gè)指標(biāo)。

一些示波器廠商會給出ADC的ENOB值，從某種程度上來講，8位的ADC的確能夠提供8位的精度和分辨率，這只是針對DC信號或者一些低速信號而言。

隨著信號速度的提高，動態(tài)數(shù)字化性能會顯著下降。當(dāng)達(dá)到某一特定臨界值，8位的ADC可能降到6位或者4位或者更低的有效位數(shù)。

數(shù)字轉(zhuǎn)化器性能的下降主要表現(xiàn)為信號上的噪聲水平增加。此處的噪聲水平增加主要是指輸入信號和數(shù)字化輸出中疊加的隨機(jī)誤差。

我們可以用信噪比（SNR）來衡量此系統(tǒng)的好壞。

SNR=

ENOB=(SNR-1.76)/6.02

當(dāng)然，對于示波器而言，單純地講ADC的ENOB是沒有意義的，評估整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB才具有實(shí)際意義。

例如一個(gè)ADC具有非常優(yōu)秀的ENOB，但若是前端噪聲較大，則會影響整個(gè)系統(tǒng)的ENOB.

在SDS2000X示波器中，提供了增強(qiáng)分辨率模式（ERES采集模式），通過數(shù)字濾波的方式降低噪聲的帶寬，能有效提高信噪比，最高可等效增強(qiáng)3 Bit ENOB，等效提高了示波器的垂直分辨率，且無須依賴于信號的周期性和觸發(fā)點(diǎn)的穩(wěn)定。這個(gè)模式有利于于信號完整性測量。

圖3 SDS2000X增強(qiáng)分辨率模式

我們在判定整個(gè)系統(tǒng)的ENOB是否會影響信號的測量以及影響信號完整性時(shí)，一定要留意自己需要測量的是什么信號。

例如高速串行信號在一些頻點(diǎn)上具有諧波，這些諧波可以通過示波器系統(tǒng)而不受ENOB降低的影響。

No.6

噪聲

在示波器不外接任何信號的前提下，我們依然可以在示波器的顯示屏上觀察到噪聲信號，我們稱這個(gè)信號為示波器的底噪。

示波器的噪聲可能有很多來源，包括示波器的模擬前端，模數(shù)轉(zhuǎn)化器，探頭甚至是連接測量電路的電纜。

有利于信號完整性測量的示波器應(yīng)該具有較小的噪聲。

我們在測試儀器噪聲的時(shí)候，還要注意影響噪音測試結(jié)果的因素很多，比如帶寬、采樣率、通道垂直分辨率、水平時(shí)基和通道耦合方式等。

總體來說，業(yè)界對此的共識如下：

帶寬越高，噪聲越大，因?yàn)閹捲礁卟杉降男盘栔C波分量越豐富。

水平時(shí)基分辨率越低，噪聲越大，即時(shí)基格度越粗，噪聲顯示越大。

對地耦合方式下噪音最小，因?yàn)橥饨缧盘柡碗姶怒h(huán)境干擾被隔離；如果要比較真實(shí)的儀器噪音，建議DC耦合，此時(shí)全帶寬開啟，所有示波器處于真實(shí)的測試環(huán)境中。

如果我們需要觀察小信號或者一些微小變化，那么我們需要選用底噪更小的示波器。

如下我們比較了幾款市場上較常見的示波器的底噪：

圖4 SDS3000X底噪

圖5 甲品牌底噪

圖6 乙品牌底噪