测试电缆的影响可以忽略吗？

sunsunny 2012-4-24 15:37 楼主

许多公司愿意投入大量资金采购测试测量仪器和设备。高速数字电路或系统设计团队往往会花费一大笔开支用于购买实时示波器。就像大多数仪器一样，仪器的性能或指标越高，比如示波器的带宽越高，价格也会越高。而需要高带宽实时示波器的公司通常也愿意支付高价钱，这是因为他们期望这样的示波器的测量结果确实能够正确反映被测试对象的性能。带宽不足或精度不够的示波器，所测出的信号上升时间是不准的，或测试可重复度很差，测出的信号抖动值比真实情况偏大等，这使得无法或错误评估设计冗余本来就不大的产品，增加成本，推迟项目或设计的市场投放时间。能够保证测量精度的高带宽实时示波器，会让购买者觉得物有所值或物超所值。

但是常被数字工程师忽视的一个问题是：示波器仅是整个测量系统中的一部分或一个环节，一个测量系统，除了示波器以外，还有和被测对象相连接的同轴电缆、适配器或探头，同轴电缆、适配器、探头的带宽和测量精度一样会成为影响整个系统测量精度的重要因素，只是同轴电缆或适配的性能特性往往被忽视。

与示波器的价格相比，电缆的价格是很低的，甚至是可以忽略不计的，但对高速测量系统，电缆有可能成为影响测量精度的重要因素。电缆带来的信号损耗不仅影响系统带宽，频响平坦度，还直接影响设计者的设计冗余。从整个电子设计行业的角度来看，目前企业在测量时，处使用电缆或探头外，还可能使用其它连接部件，包括开关（测量多通道）、适配器和夹具。每一个部件都潜藏常被忽视的问题，包括损耗、频响曲线不平坦等，这些问题在信号速度较慢的时候可以被忽略不计，但当信号超过GHz后，就会影响关键的电气性能测试，带来测试本身的不准确，浪费数以十万计美元的投资。更为严重的是这一点往往被有意无意地忽略。

S21插入损耗是衡量信号衰减的一项指标，对一根电缆而言，指的是信号经过电缆会产生一定的幅度衰减，而且这种衰减往往是随着被测对象频率的变化而变化，因此，插入损耗一般指电缆对信号衰减程度与信号频率之间的关系曲线。在传输线理论中，S21是传输系数，以dB为单位，负值代表信号在传输过程中的损耗。假设电缆的特征阻抗、源端阻抗、负载阻抗都是匹配的，比如电缆特征阻抗（Z0）为50Ω，源和负载都是50Ω，只有在这种情况下，所测得的插入损耗才能代表所用电缆的真实情况。如果源和负载不完全匹配，就会产生反射，需要借助除S21之外的其它参数来建立完整模型。

针对S21插入损耗，工程师有两种选择方案。第一种是购买和使用高质量同轴电缆；但即使高质量同轴电缆也会因插入损耗而在某个频点以上开始损失带宽，选择这种方案基本上是源于工程师忽略了电缆损耗，可惜这也是工程师选择最多的解决方案。第二种方案是对所使用的同轴电缆进行实际测量，得出其频率响应（幅度和相位）曲线，然后用数字信号处理的方法补偿其带来的误差，这种方法的优点是工程师可以对每条电缆进行补偿，校正其插入损耗，不过这种方案有两个缺点，首先是测量和表征电缆需要时间和经验，其次是可能出错。

传统的示波器探头或电缆校准只对直流增益和时延做校准，基本上是不校正频响的。现在很多高端示波器里都提供了S参数的去嵌入功能，即如果工程师能够提供使用的电缆或探头的的S参数，示波器里可以对其进行频域的补偿。但是对于数字工程师来说，获得电缆的S参数是一个很大的障碍，因为S参数的测量通常需要借助矢量网络分析仪，这是很多数字工程师不太熟悉的。一方面不太容易接触到，另一方面操作使用中也可能会出错。因此实际情况下测试电缆的影响被有意或无意地忽略掉，这是很多高速数字信号测量失真或裕量不够的一个来源。