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序和電壓做出響應的能力。

當電路中信號能以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達接收端時，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，會造成時鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯。

設計環(huán)節(jié)中，信號完整性是必不可少的考慮因素，當然，在信號測試和調(diào)試環(huán)節(jié)，我們也應對信號完整性問題引起重視，否則會引起測量結果誤差，影響工程師判斷，調(diào)試和改進電路的方向。

在基礎的電子信號測量中，我們通常會選用示波器來對信號進行測量。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知的一個指標，他指的是當頻率提高到某個值，輸入信號幅值剛好被衰減3dB 時所對應的頻率點。

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，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。

這個時候，5倍法不再適用，并且我們無法得知，哪個頻率點我們剛好能覆蓋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，不僅要考慮帶寬的影響，同時也需要考慮到上升時間的影響。這兩者都是影響信號完整性的重要因素。

No.2

上升時間

事實上，上升時間并不僅僅指前文我們提到的信號的上升時間，對于示波器來講，也是具有上升時間這個指標的。

我們?yōu)槭裁窗焉仙龝r間拿到和帶寬同等的高度來分析它？

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

尤其是在測量一些快沿和高速串行信號等復雜信號時。

首先我們先明確示波器的上升時間指的是什么。

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

上升時間=0.35/帶寬

事實上，實際示波器帶寬和上升時間的關系可能是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系統(tǒng)，我們可以得到以下的結論：

Rise_Time Measure2

=Rise_Time scope2

+Rise_Time Probe2

+Rise_Time Signal2

示波器和探頭的上升時間越小，越有利于真實地重建信號，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間來加以區(qū)分。

示波器真實的上升時間無法通過帶寬來進行計算，最可靠的方法只能是通過一個理想的階躍信號去測量。

No.3

頻率響應

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

不平坦的帶內(nèi)響應，很有可能會導致信號的失真。所以，我們在示波器具備相同帶寬的同時，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一個的離散點。

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，實際的模擬電壓值與對應的數(shù)字化電平值之間總會有偏差，這個偏差值叫量化誤差。

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個量化級別；10位的ADC則代表了210=1024個量化級別；12位的ADC代表了212=4096個量化級別。

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置，能獲得更加精確的測量結果。

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，測量的結果出入很大。

圖2不同情況下的測量結果

No.5

ENOB

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

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。當達到某一特定臨界值，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，評估整個示波器系統(tǒng)的ENOB才具有實際意義。

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

在SDS2000X示波器中，提供了增強分辨率模式（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)點的穩(wěn)定。這個模式有利于于信號完整性測量。

圖3 SDS2000X增強分辨率模式

我們在判定整個系統(tǒng)的ENOB是否會影響信號的測量以及影響信號完整性時，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該具有較小的噪聲。

我們在測試儀器噪聲的時候，還要注意影響噪音測試結果的因素很多，比如帶寬、采樣率、通道垂直分辨率、水平時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，因為帶寬越高采集到的信號諧波分量越豐富。

水平時基分辨率越低，噪聲越大，即時基格度越粗，噪聲顯示越大。

對地耦合方式下噪音最小，因為外界信號和電磁環(huán)境干擾被隔離；如果要比較真實的儀器噪音，建議DC耦合，此時全帶寬開啟，所有示波器處于真實的測試環(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