实时宽带示波器在快沿脉冲测量中的应用*

黄坤超,张靖悉,周 烨

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

实时宽带示波器在快沿脉冲测量中的应用*

黄坤超**,张靖悉,周 烨

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

脉冲信号的广泛应用使得对其测量准确度提出更高要求,而脉冲信号上升沿变窄的趋势则增加了测量难度。为了更精确地测量脉冲信号并保证测量结果准确可靠,分析了高性能实时宽带示波器在带宽、采样率、底噪、电缆去嵌和匹配校准快沿脉冲等方面的优点,讨论了其用于脉冲信号测量和校准所具有的无可比拟的精准性,说明了其作为脉冲信号测量和脉冲参数计量具有无可替代的作用。最后通过一个实例介绍了对10 ps以内快沿脉冲进行测量和校准的方法。

脉冲信号测量;快沿脉冲;高性能实时宽带示波器;脉冲参数计量

1 引 言

脉冲信号在无线电测量领域的广泛应用使其测量技术成为无线电信号特性测量技术中不可或缺部分。随着通信技术、计算机技术的迅猛发展,脉冲信号的上升沿变得越来越陡峭,随之带来脉冲信号的测量需要更短的测量时间、更宽的频带范围以及更小电缆损耗,而在测量准确度方面的要求更是大幅提升。示波器作为时域测量的经典仪器是测量脉冲的主要仪器,传统示波器实时带宽的提升速度难以跟上脉冲边沿变快的节奏,传统的高速脉冲信号的测量主要依靠基于多周期取样变频的宽带取样示波器。由于其非实时采样方式,取样示波器只能解决周期性高速脉冲信号的测量问题,不能测量工程中常需要测量的非周期快沿脉冲信号。

测量准确度的高要求是以测量结果的准确溯源为基础的,基于宽带取样示波器的高速脉冲测量也使测量结果的溯源陷入了一个怪圈,测量准确度不能充分保证。为了保证量值的准确可靠,目前在脉冲参数计量领域广泛采用标准脉冲法对量值进行溯源。溯源环节首先从使用具有陡峭边沿的标准脉冲对取样示波器进行精确校准开始,接着这一标准脉冲又需要上升时间更小的另一台校准好的取样示波器进行校准,这种标准脉冲和校准仪器相互依存的关系,让整条溯源链陷入了困境,这一问题成为脉冲参数计量的最大瓶颈,人们总是在寻找更陡峭的边沿脉冲和更高带宽的取样示波器。

近来磷化铟技术的诞生终于为示波器技术的突破带来了契机,高性能实时宽带示波器应运而生。借助磷化铟技术,它可提供极高的实时带宽和采样率指标,拥有够低的本地噪声和优异的脉冲响应,具备精密的电缆校准补偿技术,并可获得与其校准频段相匹配的快沿脉冲,从而实现对快沿脉冲的精确测量和量值溯源。

2 高性能实时宽带示波器在精确测量中的作用

2.1 陡峭上升沿的准确捕获

高速脉冲信号最显著的特点就是陡峭的上升沿,为确保高速应用领域的脉冲信号的测量精度,首要任务就是无失真地捕获其陡峭的边沿。高速脉冲信号通过测量系统时其上升边沿往往会产生失真,使得测量的上升时间比实际情况要慢很多,传输损耗、相位负面效应产生的群延迟和带宽的限制是致使失真的最主要因素。为了准确捕获快沿,必须减少传输损耗、提高测量系统的带宽和消除群延迟。然而,受技术的限制,一般的测量系统很难同时消除这三个影响测量精度的因素。高性能实时宽带示波器在这三方面的性能均表现突出,这使得其成为测量高速脉冲信号的最佳选择。

2.1.1 全面捕获有价值的谐波分量

众所周知,时域中陡峭的上升沿对应着频域中丰富的谐波分量,即更宽的带宽。要准确测量上升时间,测量仪器必须能够保证脉冲信号中有价值的频谱分量全部通过,也就是说测量仪器的带宽必须足够宽[1]。

频域中的-3 dB带宽与时域中上升时间的关系可以用一个反比关系式表示:

其中,Bw为-3 dB带宽,a为反比系数,tr为上升时间[2]。这个关系式既适用于信号本身也适用于测量仪器。利用示波器测量脉冲信号,测量得到的上升时间可由信号上升时间和示波器上升时间的方和根求得

其中,tro为测量所得上升时间,trp为信号上升时间, tro为示波器上升时间[3]。根据上述关系,假设被测信号上升时间Tsignal与示波器建立时间Tscope之比为N,则测量精度为-1,N取不同值时测量精度如表1所示。由表1可以看出,当示波器的建立时间小于脉冲上升时间的1/3,此时,脉冲测量精度可以高于5%。

表1 脉冲信号测量精度与N的关系Table1 Relationship between pulse measurement accuracy and N

以往提高示波器带宽的方法主要依赖于下变频或者传统硅锗工艺,到20 GHz实时带宽以上就很难保证测量精度。一般情况下,高带宽实时数字示波器带宽与上升时间的反比系数大致在0.35～0.51范围内,要达到5%的测量精度,那么20 GHz的实时宽带示波器只能捕捉最快为50 ps的快沿,这显然不能满足需求,以示波器检定为例,目前国内普遍使用的最尖端的FLUKE有源信号探头已能够产生25 ps的快沿信号。高性能实时宽带示波器采用RealEdge定制芯片技术,在实时带宽方面有了质的飞跃,可在两个通道上提供高达63 GHz带宽,其频响曲线在不同垂直刻度设置下有很好的一致性和稳定度(优良的频响指标为信号精确测量提供可靠的稳定度,带宽高于30 GHz时3 dB以内为优),可捕获5 ps的上升时间,这为快沿脉冲测试带来了极大的方便,完全解决了目前普遍的快沿脉冲的测试难题。

2.1.2 彻底消除相位响应的负面效应

脉冲响应方式表征示波器如何最优化处理输入信号各频率成份的幅度和相位,不同响应方式会再现不同细节特征的阶跃脉冲激励。脉冲响应方式从两个方面来影响波形拟合,一个是幅度响应,另一个是相位响应,其中,相位响应的负面效应就是群延迟。当信号频率较高时,这种负面效应不容忽视,会导致示波器的上升时间变慢,且带来大的抖动噪底。显然,示波器相位响应的好坏直接影响了快沿脉冲的测试精度[4]。

高性能实时宽带示波器充分利用尖端的磷化铟技术和快膜封装技术,借助氮化铝散热,不但能提供极高的带宽指标,还拥有了相当低的本底噪声和本底抖动,使脉冲相位响应无比优异,对于快速边沿的脉冲信号能更加准确的查看。图1为高性能实时宽带示波器本底噪声与传统示波器本底噪声的比较图。

图1 高性能实时宽带示波器本底噪声与传统示波器本底噪声Fig.1 Background noise of high performance real-time wideband oscilloscope and traditional background noise

2.1.3 降低电缆损耗找回裕量

电缆是运载信号的运输工具,无论用何种仪器测量都必须使用电缆将信号传送到测量仪器。除了带宽和群延迟,影响快沿信号准确捕捉还有一个不容忽视的因素,那就是电缆损耗。随着快沿信号的沿越来越陡峭,测量带宽越来越高,导体的趋附效应和截至损耗越来越凸显,电缆损耗问题日益严重,产生的严重后果就是降低信号幅度,增加信号上升时间[5]。此外,经过长时间的使用,其材质会老化,电缆的损耗特性也会增加,那么不同的电缆带宽以及损耗参数不一样,即使是同一类电缆其特性也迥异。

为降低电缆损耗在快沿脉冲测量中的影响,我们采用高性能实时宽带示波器的电缆去嵌(Cable De-embedding)功能,根据实际测得的电缆损耗,对测量系统进行补偿,找回因电缆而损失的宝贵裕量。具体操作可分两种方法来输入电缆的特性:一种是电缆的衰减常数,包括了电缆长度、传输速度、插入损耗的多项式系数;另一种是直接输入多个频率点的插入损耗(即S参数的S21)。电缆的特性参数可从厂商处获得,或用矢量网络分析仪测量。电缆去嵌能补偿电缆在全频段的损耗,使测量结果更加精确和一致。

2.2 上升沿细节的精确捕捉

很多时候,我们需要关注信号的细节。为了使测量更加精确,脉冲信号陡峭边沿的准确捕捉还不仅仅是我们的目标,边沿中隐藏的波形细节也是不容忽视的,它很有可能成为发现或解决问题的关键。如何抓住波形细节,选择高采样率测量仪器是关键。

快沿脉冲信号边沿常出现不稳定因素如非单调,且这些不稳定因素出现的时间很短,需要具备高采样率才能捕获到这样的细节。比如在快沿脉冲上升沿存在一个100 ps的回沟,如果用10 Gsample/s采样率采样,两个采样点之间的时间间隔正好是100 ps,在这种情况下不能正确采集到回沟是个大概率事件,必须提高采样率,但到底需要多高的采样率呢?严格来讲,若要比较客观地恢复快沿脉冲真实波形后对其实时测量必须确保在上升沿中至少采集3～4个采样点,也就是说测量上升沿100 ps的信号,至少需要30 Gsample/s的采样率。图2描述了上升沿与采样时间间隔的关系,可见固定采样率,上升沿越短,两个相邻采样点之间的盲区就越大,盲区中包含的信号细节内容就不能被查看。

图2 上升沿与采样时间间隔Fig.2 Rising time and sampling interval

传统的示波器提高采样率的方法是基于多颗分时复用的低采样率芯片,经间隔采样再进行样点叠加以获得高采样率。这种存在个体差异的芯片叠加为冲激电平噪声和测量误差,极大影响波形拟合质量和测量精度。高性能实时宽带示波器为每个单一通道配备了一颗高速采样芯片,高速采样芯片的利用,减少了复用芯片的数量,解决了冲激电平噪声的问题,让快沿中的不稳定细节一览无遗。现已做到单通道采样速率高达80 Gsample/s,并且支持两通道复用,也就是说最高可提供160 Gsample/s实时采样率,可以捕捉到20 ps快沿脉冲信号的大量细节,这已基本满足了当前对快沿细节捕捉的需求,而且随着对磷化铟技术的深入利用,采样率将进一步提高,很快将会实现对10 ps以内脉冲信号的上升沿细节捕捉。

3 匹配校准快沿脉冲使测量得以溯源

如前所述,高性能实时宽带示波器已能完全解决现阶段及未来一个时期的快沿脉冲测量需求,然而为了使测量结果可靠,必须对高性能宽带示波器进行校准。由于快沿脉冲发生器目前最先进的就是FLUKE公司的25 ps有源信号探头(配合其示波器校准仪使用),难以对20 GHz以上宽带示波器使用标准脉冲法进行校准。而国家基准7 ps是基于NTN技术,只能对取样示波器进行校准,且校准时必须同时具备一台与被校示波器一样的示波器,操作复杂。磷化铟技术不但提升了示波器指标,还催生了与高性能示波器校准频带相匹配的快沿脉冲发生头的同期面市。借助磷化铟技术的快沿头,可产生5 ps的信号边沿,结合精密电缆校准补偿技术,对所用的探头和电缆进行交流校准,校准带宽可达63 GHz。这就充分解决了高性能实时宽带示波器的校准问题,使其测量值得以溯源。

4 测量实例

现对工程中遇到的一个实际快沿信号进行测量,已知其上升时间为20 ps左右。

4.1 测量及校准仪器

(1)要对上升沿在20 ps以内的快沿脉冲进行精确测量,示波器带宽必须大于20 GHz,采样率大于150 Gsample/s。这里选择安捷伦DSOX95004Q型号的示波器,可在两个通道上提供50 GHz带宽、160 Gsample/s采样率。

(2)DSOX95004Q上升时间典型值为7 ps(20%～80%),匹配校准快沿头选择N2807A,可生成5 ps (20%～80%)的信号边沿。

4.2 测量流程

在对快沿信号进行测量前,必须对用于测量的示波器进行校准,以保证量值溯源,当确认示波器指标在误差范围之内,才能用此示波器进行测量。具体的测量步骤和校准连接方式如图3和图4所示。

图3 快沿脉冲测量和校准的步骤Fig.3 Steps of fast-edge pulse measurement and calibration

图4 校准连接框图Fig.4 Connecting figure of calibration

4.3 结果分析

(1)校准时,示波器测量显示的快沿头上升时间为9.1 ps,快沿头实际上升时间为5 ps,由公式(2)计算示波器上升时间为7.6 ps,上升时间合格,可以用于20 ps以内的快沿脉冲上升沿的测量量传。

(2)示波器在Realedge模式下捕获到了输入的快沿信号,此时采样率为160 Gsample/s,在非插值情况下,可以清晰地观测到上升沿中采集到了3个采样点,上升沿单调无回沟,上升时间由示波器自动测量功能得到,其值为19.7 ps。

5 结 语

示波器的带宽、采样率与脉冲响应方式等指标特性决定了对脉冲信号的测量能力。基于磷化铟技术的高性能宽带实时示波器在带宽、采样率、底噪、脉冲响应等方面的革新标志着它已全面进入微波测量应用,再加上与之校准频带相匹配的快沿脉冲,这将使其成为脉冲(尤其是非周期快沿脉冲)测量及脉冲参数计量的支撑性仪器。

[1] 郭戊生,古天祥.电子仪器原理[M].北京:国防工业出版社,1989:192-193.GUO Wu-sheng,GU Tian-xiang.Electronic Instrument Principles[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1989:192-193.(in Chinese)

[2] 邓斌.电子测量仪器[M].北京:国防工业出版社, 2008:123. DENG Bing.Electronic Measurement Instrument[M]. Beijing:National Defense Industry Press,2008:123. (in Chinese)

[3] 陈光禹,王厚军,田书林,等.现代测试技术[M].成都:电子科技大学出版社,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)

[4] Johnson H.Adequate Bandwidth[M].[S.l.]:LeCroy Corporation,2010.

[5] 张鹏.全新示波器构架为脉冲测量带来技术提升[J].电子设计应用,2009:59-61. ZHANG Peng.New Oscilloscope Framework Bring Technology Improvement For Pulse Measurement[J].Electronic Design and Application,2009:59-61.(in Chinese)

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

张靖悉(1984—),女,四川巴中人,硕士,助理工程师,主要研究方向为测试测量技术与仪器;

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 烨(1982—),男,四川成都人,工程师,主要研究方向为测量技术与仪器。

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

**通讯作者:kunchaoh402@126.com Corresponding author:kunchaoh402@126.com

TN06;TB973

A

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

黄坤超(1971—),男,四川仁寿人,硕士,高级工程师,主要研究方向为测量技术与仪器;

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

2013-05-28;

2013-11-18