如何確定示波器之信號完整性

簡介

電子學的世界，信號完整性一直是個熱門議題。隨著今日的設計邊限越來越小且資料速率越來越快；代表相較以往，量測必須更加準確。每家示波器廠商對信號完整性都有自己的要求和標準：ADC 位元數最高、雜訊底線最低、取樣率最快等等。這些規格雖重要，但全面了解整個量測系統，不只是僅憑其中一項規格就做出決策，也非常關鍵。

了解每一項規格對您的設計真正的意義，在測試時能夠節省寶貴時間，並減少發生讓您心痛的情況。因為這樣您就會知道必須採用什麼方法來確定真實信號完整性。

在本電子書中提出的建議和秘訣適用任何一家廠商的示波器。您可以儘管將其運用在現有的示波器上，如果拿來對多個示波器進行展示更好，然後再自行比較。

Keysight S 系列示波器專為量測信號完整性而設計。它具備領先業界的規格準，可協助您了解如何查看真實的信號再現。

秘訣 1 : 了解 ADC 位元數和有效位元數

示波器的 ADC 位元數是最受關注的一項規格。因此，許多工程師常常僅憑這項規格就判定示波器的品質。雖是一項重要規格，但如果示波器的其他部份設計不良，那 ADC 位元數也可能會變得無關緊要。

和 ADC 位元數同樣重要的是系統的有效位元數（系統 ENOB）。系統 ENOB 是進行量測時發揮實際效益的位元數。不論任何示波器，有部份 ADC 位元數是無用的 ─ 它們只會在雜訊中運作。所以，決定示波器量測品質的是 ENOB，而不是ADC 位元數。如果量測品質過於低落，結果就會不準確且不具備可重複性，導致設計中不正確的假設。

將 ENOB 視為一個更好的信號完整性指標會更加安全，因為它將系統錯誤納入考量。

示波器廠商通常不會提到系統 ENOB，因為設計高 ENOB 不像拉高 ADC 位元數容易。ADC 前端和支援電路都必須以最高品質設計，這並不是一項容易的工作。

而廠商總是會選擇對其最有利的角度向市場標示規格。因此，當您看到高 ADC 位元數規格，它是一個好的考量因素，但您也必須確認和信號完整性有關的其他重要元件。ADC 位元數只是影響信號完整性一小部份的因素。

秘訣 2 : ADC ENOB vs. 系統 ENOB

如果您只知道 ENOB 的基本原理，然後覺得只要查看產品規格書就夠了，那您可能無法了解實際上 ENOB 規格也存在差異。請注意先前討論系統 ENOB 的章節。此術語非常重要的原因，是系統 ENOB 和 ADC ENOB 兩者間有顯著的差異。

ADC ENOB 指的是 ADC 中的有效位元數，請記住是只有 ADC。然而，示波器是由整個系統所組成，並非只有 ADC。ADC ENOB 此規格並不能代表整個示波器的有效位元數，在進行量測時，這點非常重要。

系統 ENOB 則是可在螢幕上看到、進行量測時，以及使用分析功能時的有效位元數。

系統 ENOB 可以讓您獲得成功的測試，但也可能毀了它。如果您的系統 ENOB不夠高，您就永遠無法獲得穩定設計所需的清晰度。

秘訣 3 : 頻寬 不是 越大越好

 

太大的頻寬可能會有問題。如果您的示波器頻寬太高，可能會改變量測結果。因為高頻寬的示波器會擷取到高頻雜訊。如果夠用，請使用最低的頻寬，以準確地擷取您的信號。如有必要，請以示波器內建的硬體或軟體濾波器來限制頻寬。

雜訊的多寡，對系統的 ENOB 影響極大，雜訊愈多，ENOB 愈低。

圖 2 的範例顯示在兩種不同頻寬下擷取一個 20 MHz 的信號，看起來是什麼樣子。使用適當的 100 MHz 頻寬（下方），可擷取乾淨的信號。相較之下，使用8 GHz 的頻寬進行擷取（上方），會出現較多的雜訊，導致較粗的信號與不正確的峰值量測結果。

這是一項簡單的課題，然而卻有一項普遍不為人知的事實：頻寬愈高，ENOB 愈低。

秘訣 4 : 所有頻寬 並非都是以相同條件產生

 

示波器的頻率響應呈現一個事實：不是所有頻寬都是以相同條件產生。

圖 3 讓這個概念更加容易理解。請注意，當您逐漸提高是德科技示波器的頻寬，頻率響應可保持平坦。因為它使用了硬體修正濾波器，因此您的信號幾乎沒有衰減。螢幕上所見就是裝置的真實信號。如此可確保您能夠充分使用示波器的整個頻寬，獲得準確的量測。

另一方面，部份廠商並不使用修正濾波器。因此儀器可能會對高頻元件進行微小的激發。此舉是為了讓您的高頻信號落在量測頻寬範圍內而進行的衰減。最終，這會影響您在螢幕上看見的信號，並造成所有峰值量測出現偏差。

如此會打亂您所有的量測結果，讓您感到困惑，無法得知設計是哪個地方出錯，而事實上，自始至終都是因示波器的信號完整性不佳所致。

秘訣 5 : 不同偏移下的雜訊底線

 

這點可能會讓許多工程師感到困惑：您知不知道示波器的雜訊底線，會視信號在螢幕上坐落的位置而改變？

當信號位在螢幕中央，則具備理想的最低雜訊底線之可能性最高。然而，取決於您儀器中 ADC 的品質，在螢幕上不同的垂直偏移下，您可能會經歷不同的雜訊位準。這與在此偏移下進行顯示所需的量化位準數值有關。

每台示波器都有這個現象，差異只是對您的信號和量測的影響程度大小。如圖 4和圖 5 所示，S 系列的雜訊變化非常少，但這個問題在來自其他廠商的某些儀器上非常嚴重。

您必須在螢幕上的不同點上分析示波器的雜訊底線，確保它不會對您的信號造成影響。

秘訣 6 : 了解取樣率和交錯失真

 

一般來說，取樣率愈高，就能看到更多信號細節。然而，這取決於示波器如何獲得高取樣率。

有些示波器可提供難以置信的高取樣率。要做到這點，必須有兩個或更多的交錯式 ADC，例如，以其中一個的時脈相位延遲觸發，再以另一個的碼型進行同步。這樣可以有效地將最大取樣率加倍。

但請記住一點。使用此技術，ADC 之間的同步必須極度精確。可惜的是，許多示波器使用者沒辦法做到這點。如果相位延遲時脈未正確地校準，示波器會以不一致的間隔收集樣本。一旦重建並顯示在螢幕上，就會導致波形失真，如圖 6 所示的波形。

幸運的是，是德科技 S 系列示波器不會發生這種情形，因為其 ADC 正確同步，而評估示波器時，正確的同步能力是一項重要考量。部份高階示波器，例如是德科技全新的 UXR 系列，在沒有交錯式 ADC 的情況下，可提供高達 128 GSa/s 的取樣率，讓您獲得最精確的量測

結論

最後，最重要的一點是，了解信號完整性真正的重要性，能夠避免因為一般對此議題的誤解而引起的問題。了解整個量測系統如何運作非常重要。如果您知道該查看哪項規格因素，您就可以輕鬆掌握每台示波器的真實效能。

當您要進行量測或是尋找完美的示波器時，請牢記這些主要課題：

1. 永遠要記得詢問系統 ENOB 資訊，以確定整體量測品質
2. 記得查看系統 ENOB，不只看 ADC ENOB
3. 只使用真正需要的頻寬來降低雜訊，不追求更高的頻寬
4. 索取頻率響應圖以確保跨越整個頻寬範圍，示波器的響應保持平坦
5. 在示波器螢幕上的不同偏移下檢查雜訊底線，以確保其不會對量測有顯著的影響
6. 注意太高的取樣率和不適當的交錯式 ADC

＜請觀看影片：如何判斷示波器的量測品質 (可使用字幕翻譯成中文) ＞
影片將介紹:  更多有關ADC位元數與ENOB的不同之處，以及它們對量測的重要性；以及以了解如何量測系統雜訊底線的秘訣。

 

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