2020年04月01日 | 抖动测量技术的演进探讨

    我们通常都知道，在任何一款示波器的技术资料中触发抖动都是一个最常见的性能指标。不错，自从示波器中应用了触发电路以后，触发抖动就一直存在。而且，测量方法也很简单。不过其狭义的定义却是鲜为人知，其应用也存在着很大的限制。更糟糕的是，我们过去一直用来测量触发抖动的技术受到了示波器中其它误差的严重影响。

图1. 使用水平波形直方图进行传统的触发抖动测量。

    理论上，我们都希望示波器的性能指标能够区分垂直误差和水平误差。这一点很重要，因为这两种不同的误差会对波形测量造成不同的影响。对于噪声和抖动来说，我们希望能够测量示波器添加到显示波形的垂直噪声，并对示波器添加到显示波形的水平抖动进行独立测量。为将这些特征与稍后将要讨论的其他特征加以区分，我们将这两个特征分别称为显示噪声和显示抖动。

    在进行深入探讨之前，我们首先需要清楚地了解示波器的体系结构。图2所示的就是示波器的简化抖动模型。注意，该模型仅适用于重复采样示波器和实时示波器。当然，为了便于理解显示噪声和显示抖动，实际的示波器电路中有很多独立的噪声源和抖动源都可归入这三种类型。

图2. 示波器的简化模型。

    从这个模型可以清楚地看到，显示抖动实际上是两个误差源(触发噪声源和触发抖动源)共同作用的结果。也许您之前从未考虑过触发电路中的输入参考噪声，但实际上应该考虑到这些因素。当瞬变信号越过选定的电压阈值时，触发电路就会检测到这一变化。输入信号的任何电压误差(噪声)都会引起输出信号的定时误差(抖动)。区分触发抖动和触发噪声非常重要，因为触发噪声对显示抖动的影响取决于输入信号的转换速率，而触发抖动则不然。触发噪声和触发抖动通常都是独立的误差源，所以它们对显示抖动的影响可用公式(1)表示。

    公式(1)表明触发抖动实际上只是我们在示波器显示屏上看到的一部分水平误差。我们真正关心的是显示抖动，所以我们在示波器技术资料中应该公布显示抖动，而不只是触发抖动。

    不过，公式(1)可能不是最适于在技术资料中使用的公式。由于触发噪声和显示噪声几乎总是互成比例，因此，技术资料可能更喜欢使用公式(2)。触发噪声作为显示噪声的函数就会很方便。因为显示噪声容易测量，而且通常都已经公布在技术资料中了。

    不过，触发噪声的影响究竟有多大呢?让我们看图3，图3是在Infiniium 80304B示波器上测得的显示抖动与转换速率的关系图。图中最高转换速率点对应的是正弦波输入信号的半屏的峰峰值，频率为示波器的最大带宽。注意，显示抖动主要依赖于信号在示波器最高带宽范围内的转换速率。因此，它必须由触发噪声来决定。否则，它就会在高于某个转换速率的触发抖动值处趋于平稳。

图3 . 在Infiniium 80304示波器上测得的显示抖动与转换速率的图形。

    图1是使用水平波形直方图执行传统触发抖动测量的实例。我们的方法是测量触发信号越过触发阈值的那些时间值的分布。根据前面的讨论，显然我们真正应该测量的是显示抖动，因为它包括了触发噪声和触发抖动两方面的影响。

    那么，使用这种技术来测量显示抖动有那些不足之处呢?我们的目标是测量显示波形的水平抖动，而它与垂直噪声无关。不过，这种测量结果正和触发电路相似。测得的阈值跨越的时间值会被垂直噪声所干扰。

    数十年来，我们确实一直在使用这种技术，并且欣喜的发现没有出现什么问题(或者至少我们没有注意到)，但是某些情况已经改变。事实上，有两点已经改变。一是我们设计低抖动触发、时基和模数转换器电路的能力逐年提高，现在已达到显示噪声通常能够决定显示抖动的水平。另一个改变是突然发生的，也就是安捷伦新型 “无抖动”误差校正技术的出现。“无抖动”不仅极大改善了Infiniium示波器的显示抖动，同时也使得传统的测量技术无法再继续使用。

    为了知道原来的测量技术为什么无法在采用“无抖动”技术的示波器上继续使用，您需要清楚这一点：所谓的“无抖动”，并不是去除示波器中所有的触发噪声和触发抖动。相反，它只是用更小的显示噪声和采样时钟抖动来替代更大的硬件触发噪声和触发抖动。这就在显示波形的触发点上产生了一个很有意思的显示现象，见图 4。

图4. 使用水平波形直方图在采用“无抖动”技术的示波器上执行传统的触发抖动测量。

    请看一下，显示波形是如何在触发点上被压缩成了一条非常细的线呢?这种现象正是我们在没有显示噪声或显示抖动的理想示波器上将会看到的(其中的具体原因，留给您下次在机场侯机等闲暇时间慢慢思考)。这并不是因为垂直噪声和水平抖动都消失了，而是因为它们恰巧在触发点处相互抵消。显然，传统的测量技术就逊色许多了。

    那么，我们现在应该做些什么呢?其实，我们需要的是一种新的测量技术，该技术要能确定与显示的波形恰好相配的无噪声输入信号的水平位置。这听起来很难，但我们只要把正弦波作为输入信号，然后再经过简单的FFT运算，就能计算出我们需要的水平位置。结果是，每个FFT频率分量的相位都等于正好与原始信号相配的理想正弦波的相位。最后，我们只需要使用由输入信号的频率决定的比例常数，将显示波形的相位抖动从相位转换为时间。

图5. Infiniium 示波器屏幕，使用新的FFT相位技术显示抖动测量结果。

    Agilent Infiniium示波器内置有FFT相位波形运算函数，能够非常容易地测量显示抖动。以下是使用实时示波器的FFT相位函数测量显示抖动的操作步骤：

    1) 为示波器输入一个理想的无抖动正弦波。也许，“理想”意味着要做许多工作，不过使用低相位噪声源和窄带通滤波器将会带来导致糟糕的结果。要时刻谨记，输入信号的转换速率将会影响示波器的显示抖动性能。所以，要为您的应用选择恰当的幅度和频率。

    2) 选择能将一千个周期的正弦波显示在屏幕上的时间量程。

    3) 选择适合您的应用的电压量程。注意：屏幕上的信号幅度越大，就会使显示抖动越小。

    4) 在与输入信号相连的输入通道上应用FFT相位波形数学函数。

    5) 关闭输入通道的显示，使之不会干扰FFT相位函数的直方图测量结果。

    6) 调整正弦波的水平标度和位置，对输入正弦波频率附近的FFT相位函数进行水平缩放。

    7) 打开FFT相位函数的垂直波形直方图测量结果，调整其测量窗口，使其能够计算出一个频率分量的分布。

    8) 如有必要，通过调整FFT相位函数的垂直标度来对它进行垂直缩放，以确保足够的直方图分辨率。在这一点上，您的屏幕看起来就会类似图5。

    9) 使用公式(3)将直方图的标准偏移值从相位转换为时间。结果就是示波器的显示抖动。

    结束语

    我们生活在一个崭新的世界，变化无时无刻不在发生。适者生存，只有不断地对技术进行钻研才能免遭淘汰。最新示波器技术现已超越传统仪器，以往那些触发技术指标也已过时。示波器技术指标需要一个新的标准，新的标准将可使用更精确、更多类型的信号。抖动测量技术已发展为一项可在任何一款示波器上使用的技术，并且具有优异的精度。现在是该考虑显示器抖动的最佳时刻!