許多公司愿意投入大量資金采購測試測量儀器和設(shè)備。高速數(shù)字電路或系統(tǒng)設(shè)計團隊往往會花費一大筆開支用于購買實時示波器。就像大多數(shù)儀器一樣,儀器的性能或指標越高,比如示波器的帶寬越高,價格也會越高。而需要高帶寬實時示波器的公司通常也愿意支付高價錢,這是因為他們期望這樣的示波器的測量結(jié)果確實能夠正確反映被測試對象的性能。帶寬不足或精度不夠的示波器,所測出的信號上升時間是不準的,或測試可重復(fù)度很差,測出的信號抖動值比真實情況偏大等,這使得無法或錯誤評估設(shè)計冗余本來就不大的產(chǎn)品,增加成本,推遲項目或設(shè)計的市場投放時間。能夠保證測量精度的高帶寬實時示波器,會讓購買者覺得物有所值或物超所值。
但是常被數(shù)字工程師忽視的一個問題是:示波器僅是整個測量系統(tǒng)中的一部分或一個環(huán)節(jié),一個測量系統(tǒng),除了示波器以外,還有和被測對象相連接的同軸電纜、適配器或探頭,同軸電纜、適配器、探頭的帶寬和測量精度一樣會成為影響整個系統(tǒng)測量精度的重要因素,只是同軸電纜或適配的性能特性往往被忽視。
與示波器的價格相比,電纜的價格是很低的,甚至是可以忽略不計的,但對高速測量系統(tǒng),電纜有可能成為影響測量精度的重要因素。電纜帶來的信號損耗不僅影響系統(tǒng)帶寬,頻響平坦度,還直接影響設(shè)計者的設(shè)計冗余。從整個電子設(shè)計行業(yè)的角度來看,目前企業(yè)在測量時,處使用電纜或探頭外,還可能使用其它連接部件,包括開關(guān)(測量多通道)、適配器和夾具。每一個部件都潛藏常被忽視的問題,包括損耗、頻響曲線不平坦等,這些問題在信號速度較慢的時候可以被忽略不計,但當信號超過GHz后,就會影響關(guān)鍵的電氣性能測試,帶來測試本身的不準確,浪費數(shù)以十萬計美元的投資。更為嚴重的是這一點往往被有意無意地忽略。
S21插入損耗是衡量信號衰減的一項指標,對一根電纜而言,指的是信號經(jīng)過電纜會產(chǎn)生一定的幅度衰減,而且這種衰減往往是隨著被測對象頻率的變化而變化,因此,插入損耗一般指電纜對信號衰減程度與信號頻率之間的關(guān)系曲線。在傳輸線理論中,S21是傳輸系數(shù),以dB為單位,負值代表信號在傳輸過程中的損耗。假設(shè)電纜的特征阻抗、源端阻抗、負載阻抗都是匹配的,比如電纜特征阻抗(Z0)為50Ω,源和負載都是50Ω,只有在這種情況下,所測得的插入損耗才能代表所用電纜的真實情況。如果源和負載不完全匹配,就會產(chǎn)生反射,需要借助除S21之外的其它參數(shù)來建立完整模型。
針對S21插入損耗,工程師有兩種選擇方案。第一種是購買和使用高質(zhì)量同軸電纜;但即使高質(zhì)量同軸電纜也會因插入損耗而在某個頻點以上開始損失帶寬,選擇這種方案基本上是源于工程師忽略了電纜損耗,可惜這也是工程師選擇最多的解決方案。第二種方案是對所使用的同軸電纜進行實際測量,得出其頻率響應(yīng)(幅度和相位)曲線,然后用數(shù)字信號處理的方法補償其帶來的誤差,這種方法的優(yōu)點是工程師可以對每條電纜進行補償,校正其插入損耗,不過這種方案有兩個缺點,首先是測量和表征電纜需要時間和經(jīng)驗,其次是可能出錯。
傳統(tǒng)的示波器探頭或電纜校準只對直流增益和時延做校準,基本上是不校正頻響的 ?,F(xiàn)在很多高端示波器里都提供了S參數(shù)的去嵌入功能,即如果工程師能夠提供使用的電纜或探頭的的S參數(shù),示波器里 可以對其進行頻域的補償。但是對于數(shù)字工程師來說,獲得電纜的S參數(shù)是一個很大的障礙,因為S參數(shù)的測量通常需要借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,這是很多數(shù)字工程師不太熟悉的。一方面不太容易接觸到,另一方面操作使用中也可能會出錯。因此實際情況下測試電纜的影響被有意或無意地忽略掉,這是很多高速數(shù)字信號測量失真或裕量不夠的一個來源。