實時示波器面臨的挑戰

   數字技術發展的同時也在推動著測試和測量技術的發展，因此主要工具實時示波器也需要不斷地更新換代和創新發展。衡量數字實時示波器的指標有很多，往往使人分不清主次。早期，我們對示波器的關注更多的是在四個常規指標，如帶寬，采樣率，存儲深度和觸發的重要性。 現如今高速信號測量的挑戰越來越大，不同品牌指標的示波器測量結果可能會存在比較大的誤差。對于高速信號的測量來說，除了通用常規指標外， 實際上重要的但卻較為抽象的衡量標準是信號保真度（Signal Fidelity），簡單地說，信號保真度就是示波器顯示的波形和被測電路的實際波形的一致性。但是由于信號進入示波器后會經過內部各個環節，而每一個環節都有可能對原始信號產生影響，從而導致示波器顯示出的波形和實際波形存在偏差，而這種偏差又是用戶很難去進行驗證的，因此對于現代的高速示波器來說，我們還需要更多地關注在帶寬以及本底噪聲、ADC 有效位數等體現信號保真度的指標上。

圖 1. 影響高速信號保真度的關鍵指標

    更高帶寬的需求

    示波器作為常用的測試分析工具，發展主要有兩個趨勢，其一是性能的提升。自 Keysight 從 20 世紀 80 年代推出世界一款數字示波器后，數字示波器技術開始不斷發展，其帶寬從早期上百兆發展到現如今上百 GHz 的頻率，示波器在性能上獲得了飛躍的發展。另一方面隨著高速數字設計的挑戰性越來越高，示波器不僅要具備基本的測量功能，同時還要求具有強大豐富的分析能力，能夠幫助用戶對高速信號進行調試和分析，解決高速電路設計上存在的缺陷。

    現代電子設計面臨越來越多的挑戰，近幾年來，計算機、移動設備和云計算等領域的發展驅動著更高數據吞吐量的需求，為了滿足這種需求，誕生了很多新的技術標準，如 USB3.x(10Gbps)、 Thunderbolt3(20.625Gbps)、M-PHY4.0(11.6Gbps)、PCIe 4.0(16Gbps)、SAS(24Gbps)、Fibre Channel(32Gbps)、400G PAM4(112Gbps) 等；這些高速串行總線的速率非常快，這就要求在測試中數字示波器具備更高的帶寬。我們以傳統的 NRZ 編碼的數字信號來說，目前快的信號速率可達 50Gbps，如果按照理論計算需要測量到 3 次諧波，則需要 75GHz 帶寬 ；如需要測量到 5 次諧波，則需要 125GHz 以上的帶寬示波器。隨著信號速率的提升和邊沿跳變時間越來越快，為了能夠地捕獲真實的快沿信號，這就對示波器的帶寬提出了更高的要求。

    在 2010 年之前，示波器行業主要采用傳統的鍺化硅 (SiGe) 或者砷化鎵 (GaAs) 材料。SiGe 材料相比 GaAs 雖然有更高的開關速度 ( 意味著可以帶來相對略高的帶寬 )，但是其耐擊穿電壓非常低，而 5V 電壓是示波器行業在 50Ω 阻抗匹配下標準的容許高輸入電壓值，當采用 SiGe 材料的示波器帶寬較高的時候，一般其容許大輸入電壓要遠小于 5V。因此一些示波器廠商會推薦工程師在示波器通道外部額外增加不同的衰減器來擴大輸入電壓范圍，但是額外增加的衰減需要在示波器內部再行放大或補償，這必然導致儀器的本底噪聲和抖動的惡化，從而在今天的超高速信號測試場景下導致裕量的無形損失也即帶來更大的測試誤差和測量結果的不一致性。

    這種來自于產業界的持續發展對測試和測量行業也是非常巨大的挑戰，必然要求在基礎材料和半導體工藝上取得創新。磷化銦 (InP) 材料被用到測試測量行業就是因應這一挑戰的大創新。

    磷化銦 (InP) 材料具有電子漂移速度高、耐輻射性能好、導熱好的優點。與 SiGe 半導體相比，它具有擊穿電場、熱導率、電子平均速度均高的特點。通過下面的材料性能對比可以看出，磷化銦半導體材料具有更高帶寬的優勢。這意味著用磷化銦 (InP) 材料制作的器件能夠放大更高的頻率或者更短波長的信號。利用磷化銦 (InP) 材料制成的放大器可以工作在 300GHz 以上的極高頻率上，并且具有非常低的噪聲，受外界影響較小，穩定性高，是一種更為先進的半導體材料。

圖 2. IC 工藝性能對比

    基于磷化銦 (InP) 的半導體材料技術，Keysight 推出了業內高帶寬的 Infiniium UXR 系列實時示波器，其模擬帶寬高達110GHz。相對于其他廠家 ATI (Asynchronous Timing Interleave) 或者 DBI (Digital Bandwidth Interleave) 采用先分頻和分路采樣后再合成的技術來說，Infiniium UXR 實時示波器則采用全帶寬 110 GHz 的前端衰減放大器以及 110 GHz 的采保電路，實現了對輸入模擬信號直接進行采樣，從而擯棄了模擬信號經過重復的頻域和時域轉換以及數字信號再合成的處理技術，確保了佳的信號保真度。下圖為 UXR 內部結構圖。

    事實上示波器作為寬頻儀器，隨著帶寬越高則噪聲會越大，其本底噪聲通常表現為高斯白噪聲分布。因此，對于高速信號的測量分析，我們不僅要關注示波器的帶寬是否滿足要求，還應該要關注其本底噪聲性能。那么示波器的本底噪聲對測試測量影響如何呢？

   更低本底噪聲的挑戰

   隨著數字總線的速率越來越快和信號的幅度越來越低，在設計上其成本也會越來越高。比如在 PCIE4.0 的規范里， 眼高只有15mV 左右，未來到 PCIE5.0 則眼高可能只有 8-10mV。再比如下一代數據中心里高速信號互連的熱門信號傳輸技術 PAM-4，由于采用 4 電平來進行信號傳輸，每個電平之間的幅度會非常小。從這些技術標準中都反應出在設計上對信噪比的要求開始越來越高。這也同時對測量儀器示波器的精度提出了更高的要求，要求更低的本底噪聲以及更小的測量誤差。

    同時由于現在電子產業的競爭非常激烈，無論對芯片制造商還是系統設計商來說，都希望產品的測試結果有很大的裕量 (Margin)。對芯片廠商來說，希望有好的性能給下游系統設計商，讓系統設計商知道該芯片有很大的設計空間，可以放心設計使用。而對于系統級的設計商來說，也希望可以知道系統測試的大裕量，然后可以確保測試 Pass 的前提下，進行 Cost down 縮減用料成本。為了可以使測試結果有更大的裕量，對測試儀器廠商來說，意味著儀器測試的保真度需要越來越高，測試誤差越來越小，這是一個非常大的挑戰。

   下面我們來看看示波器的本底噪聲來自于哪里？ 下圖 1 是典型的數字示波器的架構 ：

圖 4. 示波器的典型結構圖

    如果我們對高速串行信號進行眼圖的測試，那么本底噪聲會對其有什么樣的影響呢？眼圖測試的必測參數之一是眼高：

圖 5. 本底噪聲引入示意圖

圖 6. 眼圖測試示意圖

    上圖是一個典型的 NRZ 眼圖測試各指標的示意圖。其中眼高定義如下：

    Vtopsigma 即為眼圖頂部的噪聲標準偏差或均方根值，Vbasesigma 為眼圖底部的噪聲標準偏差或均方根值。由此可見，眼高結果與波形噪聲標準偏差有直接關系。而波形噪聲標準偏差不僅僅與波形本身有關，如前文所述與示波器的本底噪聲也是緊密相關的。

    大多數示波器廠商會在示波器出廠之前對其進行噪聲測量，并將測量結果列入到產品技術資料中。如果您沒有找到相應信息，可以向廠商索要或是自行測試。示波器本底噪聲測量非常簡單，只需花上幾分鐘即可完成。首先，斷開示波器前面板上的所有

    輸入連接，設置示波器為 50 Ohm 或者 1MOhm 輸入路徑。其次，設置存儲器深度，比如 1 M 點，把采樣率設為高值，以得到示波器全帶寬。您也可以打開示波器的無限余輝顯示，以查看測得波形的粗細。波形越粗，示波器的本底噪聲越大。波形粗細可以直觀反映示波器在該特定設置下的噪聲大概范圍，準確測量應通過 Vrms 交流測量來量化分析噪聲情況。另外值得注意的是，如果需要對示波器的底噪聲做驗證或者對比，需要注意帶寬、采樣率、存儲深度以及其他指標都需要保證在相同的環境下。

    也有一些工程師了解示波器的噪聲指標一般在 uV 或者 mV 級別范圍，認為數值非常的低可以忽略不計。這樣的想法是不正確的，由于示波器在底噪聲測量時，通道都是斷開的沒有接入任何的外部信號，其自身的噪聲信號是非常小的幅度。而在實際測量中，示波器會接入各種幅度的信號，比如 1.2V、2.5V、3.3V 信號等，如果外接探頭的時候接入被測信號的幅度甚至會更高，這時候會受衰減比和量程設置等影響導致示波器底噪聲會大大的惡化，會影響到測試結果的度。

    另外在今天的高速數字差分信號測試和分析中，引入越來越多的去嵌處理 (De-embedding) 和均衡 (Equalization)，這兩種信號處理過程都會對示波器已經采集的信號進行放大，當然也會同步放大儀器的本底噪聲，從而帶來更大的測試誤差，吞噬系統有限的裕量。

   示波器的本底噪聲不僅影響電壓測量，也影響水平參數的測量精度。示波器的噪聲越低，測量精度就會越高，測試結果的可信度也就越高。因此作為示波器前端部件性能的衡量指標的本底噪聲數值就成為示波器產品手冊上必須標注的一個指標。

   示波器的本底噪聲是影響信號測量精度的一個重要原因。而示波器的本底噪聲性能除了跟示波器前端衰減放大器相關外，還有一個相關因素，那就是示波器的 ADC 模數轉換器。ADC 的有效位數 ENOB(Effective Number of Bits) 越高，測量受到的誤差影響就越小，測量結果的精準度也就越高。

   對示波器 ADC 有效位數 (ENOB) 的追求更加凸顯

   ADC 模數轉換器是數字示波器里非常關鍵的部分，主要作用是將連續的模擬信號轉換成離散的數字化采樣點。提到 ADC 模數轉換器，很多用戶都會關注 ADC 的采樣率，它代表每個采樣點間的水平時間分辨率。足夠的采樣率也是保證示波器信號保真度的關鍵因數之一。但是并不一定意味著采樣率越高，信號的保真度就越好。對于 ADC 來說，其位數也是非常重要的指標， ADC 的位數決定了采樣過程中的量化等級或者垂直電壓分辨率。大多數現代示波器通常 ADC 位數都是 8 比特，說明具有 256 個垂直量化等級。舉例來說，如果一個 8 比特的示波器，其量程設定在 800mV 的時候，那么它的垂直量化等級就是 2 的 8 次方，也就是 256 個垂直量化等級，在當前量程下的垂直電壓分辨率就等于 800 ÷ 28= 3.125mV。相同量程下，如果使用一個 10 比特的示波器，其大電壓分辨率就等于 0.781mV。這也是為什么說 10 比特示波器會比傳統 8 比特示波器的精度高 4 倍的原因。

圖 7. 示波器 ADC 位數與測試誤差

     我們再來看下傳統 8 比特示波器和 10 比特示波器的實測精度對比，下圖是兩款 4 GHz 帶寬示波器測試同一個信號的眼圖。左邊是傳統的 8 比特示波器 DSO9404A，右圖是新一代的 10 比特 S 示波器 DSOS404A，兩款示波器的帶寬、采樣率、垂直 /水平設置完全相同。可以看到，右圖 Infiniium S 系列示波器由于采用 10 比特硬件的 ADC 以及低噪底等特性，更真實地在現了信號的眼圖，眼圖高度比左圖高出 200 mV，提供了一個誤差更小、精度更高的測量結果。由此可見，即便是同品牌同帶寬的示波器產品，ADC 或者本底噪聲的水平也是不同的。

圖 8. 兩款 4GHz 示波器眼圖測試對比

     ADC 的內部結構分很多種，像逐次逼近型，并行比較型 ( 閃爍型 )，分級型 ( 半閃爍型 ) 和流水線型等，每種都有優缺點，如FALSH ADC 線性誤差高一些，流水線型有拼接誤差等。對于ADC 性能的“好”與“壞”，我們不能僅僅靠采樣率或者位數指標就進行判定。測試 ADC 的性能有很多的指標，比如 DNL、 INL、THD、SINAD、SFDR 等指標。IEEE 在 20 世紀后期定義了另一種方法，依靠 ENOB (Effective Number Of Bits) 有效位數技術指標來確定示波器 ADC 的“完好性”。有效位數 ENOB 指標的提出是因為當高速 ADC 進行數據采集時，由于噪聲、諧波和雜散的影響，實際 ADC 的信噪失真比達不到其標稱位數應達到的理想性能，比如很多通信中使用的 12bit ADC 在實際工作環境中有效位數只有 10bit 左右。事實上，有效位數 ENOB 總結了整個系統的分辨率并代表頻率范圍內的累積誤差。

    當我們選擇示波器時，有效位數 ENOB 指標到底有多重要？它能有效判定示波器的測量精度嗎？在數字示波器的架構中，和測量精度相關的電路包括示波器的前端電路和采用的ADC技術，前面提到的示波器的本底噪聲主要來源就是前端電路。倘若示波器的前端電路的噪聲過大，即便 ADC 具有較高的 ENOB，整個測量系統的性能也會明顯下降。盡管某些示波器廠商會提供示波器 ADC 本身的 ENOB 指標，但光這一數值來說并沒有太大意義。因為 ADC 僅為示波器系統的一部分，不能獨立使用，要結合示波器前端電路，看整個示波器系統的 ENOB 指標才有意義。一般情況下，示波器廠商會對其使用的 ADC 芯片本身做內部評測，同時也會評測整個示波器系統的 ENOB。受示波器損耗的前端噪聲、諧波失真和交叉失真等因素影響，整個示波器系統的 ENOB 會比獨立 ADC 芯片的 ENOB 要低。另外，受高頻寬帶噪聲的影響 ENOB 也會隨頻率的增加而降低。

   有效位數 ENOB 值該如何進行測量呢？

   ENOB 是用一個固定幅度正弦波信號進行頻率掃描，在不同頻率下對采集到的電壓數據進行分析和評估。通常使用后期處理工具 ( 例如 MathWorks MATLAB) 對捕獲所得的電壓測量結果進行測評。用戶可以在時域或頻域中執行測量。使用時域方法測評信號時，把采集到的時域數據和一個據此擬合出的理想時域波形相減來計算 ENOB。計算相減的結果就是噪聲，噪聲可能來自示波器的前端，比如不同頻率下相位的非線性和幅度變化，還有可能來自 ADC 拼接造成的交叉失真。在頻域中測評相同的信號時，可以通過在整個寬帶功率中減去與基帶相關的功率來計算 ENOB。

    有效位數 ENOB 的值和頻率有關，每款示波器都有自己的 ENOB曲線，值得注意的是，ENOB 曲線應該是針對示波器系統的，而不僅僅是其自身 ADC 芯片的。下圖顯示 Keysight 傳統 8 比特9000 系列示波器和新一代 10 比特 S 系列示波器的實例 ENOB 圖。該圖顯示的是整個示波器系統的 ENOB，而非示波器 ADC自身 的 ENOB。

圖 9. S404A 示波器 ENOB

   與本底噪聲一樣，ENOB 是測評示波器精度的重要指標之一。 ENOB 圖應與本底噪聲測量結果一起考慮。這是因為高速串行數據在特定頻率會出現諧波，諧波通過示波器時幾乎不會受到有效位降低的影響。在這種情況下，示波器本底噪聲能夠更好地反映測量精度。總之，ENOB 和本底噪聲指標能夠確保對示波器質量進行的測評，從而幫助工程師選擇適當的儀器。

   近年隨著實時示波器帶寬的持續推高，和信號電壓幅度的持續降低，示波器的 ADC 位數也有持續提高的需要。實時示波器本身是寬頻儀器，其帶寬越高，在其整個頻帶范圍內，噪聲也會越大。因此如果高帶寬實時示波器依然維持傳統的 8bit ADC，那么在越高的頻段上，由于其隨機噪聲的影響 ENOB 必然也會隨之降低，例如一般 33GHz 帶寬級別的實時示波器其 ENOB 在33GHz 頻點只有 5bit 左右，有的廠家產品只有 4bit 左右甚至更低。在高速數字電路設計和測試技術發展的趨勢里，產業界對高帶寬、高 ADC 位數的實時示波器的需求已經開始凸顯。

   影響示波器的 ENOB 指標除了ADC 本身的位數外，還有示波器本身的插值誤差即采樣精度和示波器的本底噪聲有關系，這是一個綜合的評價指標。推薦閱讀本文后列參考文獻，《評估示波器的信號保真度》。

   因應當前的技術發展和市場需求，Keysight 在 2018 年 7/12 重磅推出了新一代的 UXR 系列實時示波器，其帶寬突破到業界高 110GHz，同時還提供了4 路通道，每路通道 256GSa/s 以及10 bit ADC 的業界高采樣技術。在整個測量儀器行業內再次開創了先河成為行業標桿。

   下圖展示的是 Keysight 新一代 10bit ADC 的 UXR 系列高帶寬示波器，具有更低本底噪聲，與當前主流的 8bit ADC 的 Z 系列示波器測試同一個 PAM-4 信號的結果對比，很明顯全新一代的10bit ADC UXR 示波器帶來了更加優異的測量結果 ：

圖 10. 全新 10bit ADC UXR-63GHz 示波器和 8bit ADC Z-63GHz 示波器測試結果對比