觸發抖動測量的演進

　我們通常都知道，在任何一款示波器的技術資料中觸發抖動都是一個最常見的性能指標。不錯，自從示波器中應用了觸發電路以后，觸發抖動就一直存在。而且，測量方法也很簡單。不過其狹義的定義卻是鮮為人知，其應用也存在著很大的限制。更糟糕的是，我們過去一直用來測量觸發抖動的技術受到了示波器中其它誤差的嚴重影響。

圖1. 使用水平波形直方圖進行傳統的觸發抖動測量。

　　理論上，我們都希望示波器的性能指標能夠區分垂直誤差和水平誤差。這一點很重要，因為這兩種不同的誤差會對波形測量造成不同的影響。對于噪聲和抖動來說，我們希望能夠測量示波器添加到顯示波形的垂直噪聲，并對示波器添加到顯示波形的水平抖動進行獨立測量。為將這些特征與稍后將要討論的其他特征加以區分，我們將這兩個特征分別稱為顯示噪聲和顯示抖動。

　　在進行深入探討之前，我們首先需要清楚地了解示波器的體系結構。圖2所示的就是示波器的簡化抖動模型。注意，該模型僅適用于重復采樣示波器和實時示波器。當然，為了便于理解顯示噪聲和顯示抖動，實際的示波器電路中有很多獨立的噪聲源和抖動源都可歸入這三種類型。

圖2. 示波器的簡化模型。

　　從這個模型可以清楚地看到，顯示抖動實際上是兩個誤差源（觸發噪聲源和觸發抖動源）共同作用的結果。也許您之前從未考慮過觸發電路中的輸入參考噪聲，但實際上應該考慮到這些因素。當瞬變信號越過選定的電壓閾值時，觸發電路就會檢測到這一變化。輸入信號的任何電壓誤差（噪聲）都會引起輸出信號的定時誤差（抖動）。區分觸發抖動和觸發噪聲非常重要，因為觸發噪聲對顯示抖動的影響取決于輸入信號的轉換速率，而觸發抖動則不然。觸發噪聲和觸發抖動通常都是獨立的誤差源，所以它們對顯示抖動的影響可用公式（1）表示。

　　公式（1）表明觸發抖動實際上只是我們在示波器顯示屏上看到的一部分水平誤差。我們真正關心的是顯示抖動，所以我們在示波器技術資料中應該公布顯示抖動，而不只是觸發抖動。

　　不過，公式（1）可能不是最適于在技術資料中使用的公式。由于觸發噪聲和顯示噪聲幾乎總是互成比例，因此，技術資料可能更喜歡使用公式（2）。觸發噪聲作為顯示噪聲的函數就會很方便。因為顯示噪聲容易測量，而且通常都已經公布在技術資料中了。

　　不過，觸發噪聲的影響究竟有多大呢？讓我們看圖3，圖3是在Infiniium 80304B示波器上測得的顯示抖動與轉換速率的關系圖。圖中最高轉換速率點對應的是正弦波輸入信號的半屏的峰峰值，頻率為示波器的最大帶寬。注意，顯示抖動主要依賴于信號在示波器最高帶寬范圍內的轉換速率。因此，它必須由觸發噪聲來決定。否則，它就會在高于某個轉換速率的觸發抖動值處趨于平穩。

圖3 . 在Infiniium 80304示波器上測得的顯示抖動與轉換速率的圖形。

　　圖1是使用水平波形直方圖執行傳統觸發抖動測量的實例。我們的方法是測量觸發信號越過觸發閾值的那些時間值的分布。根據前面的討論，顯然我們真正應該測量的是顯示抖動，因為它包括了觸發噪聲和觸發抖動兩方面的影響。

　　那么，使用這種技術來測量顯示抖動有那些不足之處呢？我們的目標是測量顯示波形的水平抖動，而它與垂直噪聲無關。不過，這種測量結果正和觸發電路相似。測得的閾值跨越的時間值會被垂直噪聲所干擾。

　　數十年來，我們確實一直在使用這種技術，并且欣喜的發現沒有出現什么問題（或者至少我們沒有注意到），但是某些情況已經改變。事實上，有兩點已經改變。一是我們設計低抖動觸發、時基和模數轉換器電路的能力逐年提高，現在已達到顯示噪聲通常能夠決定顯示抖動的水平。另一個改變是突然發生的，也就是安捷倫新型 “無抖動”誤差校正技術的出現。“無抖動”不僅極大改善了Infiniium示波器的顯示抖動，同時也使得傳統的測量技術無法再繼續使用。

　　為了知道原來的測量技術為什么無法在采用“無抖動”技術的示波器上繼續使用，您需要清楚這一點：所謂的“無抖動”，并不是去除示波器中所有的觸發噪聲和觸發抖動。相反，它只是用更小的顯示噪聲和采樣時鐘抖動來替代更大的硬件觸發噪聲和觸發抖動。這就在顯示波形的觸發點上產生了一個很有意思的顯示現象，見圖 4。

圖4. 使用水平波形直方圖在采用“無抖動”技術的示波器上執行傳統的觸發抖動測量。

　　請看一下，顯示波形是如何在觸發點上被壓縮成了一條非常細的線呢？這種現象正是我們在沒有顯示噪聲或顯示抖動的理想示波器上將會看到的（其中的具體原因，留給您下次在機場侯機等閑暇時間慢慢思考）。這并不是因為垂直噪聲和水平抖動都消失了，而是因為它們恰巧在觸發點處相互抵消。顯然，傳統的測量技術就遜色許多了。

　那么，我們現在應該做些什么呢？其實，我們需要的是一種新的測量技術，該技術要能確定與顯示的波形恰好相配的無噪聲輸入信號的水平位置。這聽起來很難，但我們只要把正弦波作為輸入信號，然后再經過簡單的FFT運算，就能計算出我們需要的水平位置。結果是，每個FFT頻率分量的相位都等于正好與原始信號相配的理想正弦波的相位。最后，我們只需要使用由輸入信號的頻率決定的比例常數，將顯示波形的相位抖動從相位轉換為時間。

圖5. Infiniium 示波器屏幕，使用新的FFT相位技術顯示抖動測量結果。

　　Agilent Infiniium示波器內置有FFT相位波形運算函數，能夠非常容易地測量顯示抖動。以下是使用實時示波器的FFT相位函數測量顯示抖動的操作步驟：

　　1) 為示波器輸入一個理想的無抖動正弦波。也許，“理想”意味著要做許多工作，不過使用低相位噪聲源和窄帶通濾波器將會帶來導致糟糕的結果。要時刻謹記，輸入信號的轉換速率將會影響示波器的顯示抖動性能。所以，要為您的應用選擇恰當的幅度和頻率。

　　2) 選擇能將一千個周期的正弦波顯示在屏幕上的時間量程。

　　3) 選擇適合您的應用的電壓量程。注意：屏幕上的信號幅度越大，就會使顯示抖動越小。

　　4) 在與輸入信號相連的輸入通道上應用FFT相位波形數學函數。

　　5) 關閉輸入通道的顯示，使之不會干擾FFT相位函數的直方圖測量結果。

　　6) 調整正弦波的水平標度和位置，對輸入正弦波頻率附近的FFT相位函數進行水平縮放。

　　7) 打開FFT相位函數的垂直波形直方圖測量結果，調整其測量窗口，使其能夠計算出一個頻率分量的分布。

　　8) 如有必要，通過調整FFT相位函數的垂直標度來對它進行垂直縮放，以確保足夠的直方圖分辨率。在這一點上，您的屏幕看起來就會類似圖5。

　　9) 使用公式（3）將直方圖的標準偏移值從相位轉換為時間。結果就是示波器的顯示抖動。

　　結束語

　　我們生活在一個嶄新的世界，變化無時無刻不在發生。適者生存，只有不斷地對技術進行鉆研才能免遭淘汰。最新示波器技術現已超越傳統儀器，以往那些觸發技術指標也已過時。示波器技術指標需要一個新的標準，新的標準將可使用更精確、更多類型的信號。抖動測量技術已發展為一項可在任何一款示波器上使用的技術，并且具有優異的精度。現在是該考慮顯示器抖動的最佳時刻！