测量系统的带宽是其最重要的性能指标。作为态势感知的一部分，我们希望验证测量系统的带宽至少比DUT的信号带宽高2倍。这样我们就不会错过信号的重要特征或引入测量伪影。
虽然我们从供应商那里获得了示波器的带宽，但一旦我们向示波器添加电缆、探针或放大器，就会降低系统带宽。新的系统带宽和瞄准镜的带宽一样重要，但通常很难测量，除非在校准实验室。我们提供了一个简单的方法来评估任何探测系统的传递函数和系统带宽使用宽带噪声源。
传递函数的测量
当我们使用单一的性能指标(比如带宽)来描述传递函数时，我们做了很多假设，比如:传递函数看起来像一个低通滤波器，通带区域是平坦的，滚出区域是从平坦到恒定向下斜率的过渡。我们可以使用另一个优点，如滤波器顺序，来描述传递函数随频率下降的速度。图1显示了与源连接最少的范围的测量传递函数的示例。
有许多方法可以测量测量系统的传递函数。不幸的是，使用VNA不是其中之一。除了无源电缆和探针之外，我们真的希望能够包括瞄准镜的放大器和任何内置到瞄准镜电子设备中的DSP均衡。除了在校准实验室，我们无法将这些部件拉出来并将VNA从输入端连接到输出端。
但是，我们可以使用频率响应平坦的正弦波源。我们可以将其频率从1mhz扫到10ghz，并测量正弦波在不同频率阶跃下的振幅。这需要一个非常平坦、高带宽的正弦波源。
我们可以用一个非常快的阶跃信号作为输入。例如，如果这是10mhz时钟的一部分，其频谱将是10mhz奇数倍峰值的梳状模式。但是，每个谐波的振幅下降为1/f，因此在更高的频率下有更差的信噪比(SNR)，我们更感兴趣的是传递函数滚转。
本文介绍的方法使用Noisecom NC1100宽带噪声源，其频率分量从1 MHz扩展到> 10 GHz。我们在Teledyne LeCroy WavePro HD 804的输入端测量这个信号，使用我们可以使用的最高带宽连接，计算它的FFT以获得频谱，并将其用作刺激。然后我们插入电缆和探针，测量变化的响应。
在对数振幅尺度上，失真谱和参考谱之间的差值是电缆探针系统传递函数的度量。这种方法不仅提供了关于探针和互连的信息，而且还告诉我们作用域如何响应测量系统，这些信息不能仅由VNA测量。
噪声源的传递函数
宽带白噪声源在频率上的功率密度相对恒定。与方波源相比，在高频处信号功率更高，在整个频率范围内信噪比不变。
实际上，宽带噪声源是同时探测所有频率。只有在频域中才能看到所有的频率分量。
我们用来测量测量系统传递函数的过程可以应用于任何测量系统:
- 使用最快的采样率，直接从信号源测量电压噪声并计算FFT。这为FFT提供了最高的频率限制。
- 选择一个时间基准，它定义了合理的分辨率的bin大小。
- 平均FFT 300次，以降低固有噪声，获得更平滑的信号
- 将其存储为接收到的参考信号
- 插入被测探头电缆系统，在相同的设置下测量其频谱
- 从DUT光谱中减去参考光谱，在对数尺度上，差值是测量系统的传递函数变化
- 使用这种方法来探索系统的传递函数。
第一步是描述噪声源。本例中使用的范围的最高采样率是每秒20个GSamples。这导致FFT的最高频率为10ghz，受奈奎斯特采样率的限制。时间基准是1 usec满量程，或100 nsec/div。这将导致数据仓大小或频谱分辨率为1 MHz。这是基本设置。
FFT是用von Hann窗口函数计算的。时域信号和FFT如图2所示，在单次FFT扫描的情况下，然后在连续300次FFT扫描后求平均。平均谱是参考谱。
如果我们假设示波器的本征传递函数是平坦的，那么对噪声源频谱的测量表明噪声源不是一个完全平坦的频率响应。振幅变化约为+/- 3db。但在非常高的频率下它的能量很大。在8 GHz以上的频谱中，角色开关是瞄准镜额定带宽8 GHz的直接衡量标准。用VNA测量是不可能的。
上面的图是计算得到的，测量光谱减去参考光谱的归一化传递函数。在这个例子中，它是一个平坦的0 dBm，因为我们正在查看参考噪声源与自身的比较。
许多瞄准镜提供前端滤波器以减少测量带宽。当信号的带宽较低时，减小示波器带宽将降低高频噪声，其中没有信号内容，增加测量的信噪比。图3是范围带宽设置为4 GHz时系统的传递函数示例。
作为使用该技术来深入了解常见测量应用程序属性的示例，我们将查看:
- 作用域的输入耦合设置
- 不同电缆和尖端的影响
- 在最佳情况和典型条件下，一个10倍无源探针的影响。
输入耦合设置的带宽
最高带宽测量是当输入耦合设置为50欧姆时。这将使用范围的最高带宽，并终止电缆的范围端，以防止反射。当我们需要最高带宽的示波器时，我们总是应该使用50欧姆的耦合设置。
当耦合设置为1meg输入时，无论是直流耦合还是交流耦合，带宽下降到约1.2 GHz。这是由于不同的设置范围放大器在1兆输入设置。此响应如图4所示。
输入耦合的最后一个设置是将瞄准镜放大器的输入接地。这将把瞄准镜放大器的输入端连接到内部地。它不会短路DUT，它仍然连接到前BNC连接器的范围。
重要的是要注意，在100 MHz以上没有这样的事情。这个内部短路行为像一个小电感接近输入引脚。输入引脚与放大器输入之间的近场电场和磁场耦合不为零。如上面的测量所示，在放大器输入和BNC输入之间，从700 MHz到1.2 GHz之间几乎有-3 dB耦合。这是当输入到放大器是名义上接地。
当输入端接设置为1 Meg Ohm(通常使用1 Meg Ohm，这样我们就不会用低直流电阻加载DUT)时，系统带宽从8 GHz降低到1.2 GHz左右，并且滚转速度非常快。
如何在无源探测系统中获得6 dB增益?
值得注意的是，在低频下，从1 MHz到约200 MHz，测量系统的响应，同轴电缆和1 Meg欧姆的范围输入电阻显示增益为6 dB。这是一个高2倍的信号振幅。这种行为的根本原因可以很好地测试您对范围实际测量的内容的理解程度。
每个电压源内部都有一些特维宁电压幅值和特维宁源电阻。以Noisecom NC1100设备为例，源电阻为50欧姆。当我们用50欧姆输入阻抗测量范围内的电压时，我们已经创建了一个具有50欧姆源电阻的分压器。这意味着该示波器测量的电压不是源的内部Thevenin电压，而是该电压的一半。这是我们测量的归一化信号:发射到50欧姆负载的电压。
当我们将瞄准镜的输入阻抗设置为1meg时，从源发射到电缆的电压没有变化。这个信号击中1兆电阻，几乎100%的反射并返回到源，在那里，这个反射波被源系列Thevenin电阻终止。
在示波器上，我们测量两个波，入射波和反射波。这导致测量两倍的DUT电压，1meg终端，与50欧姆终端相比。系数2高出6分贝。
这种行为直接衡量了瞄准镜如何与电缆探针测量系统相互作用。它不能用VNA测量，而必须用瞄准镜本身测量。
考虑到测量带宽下降与1兆输入电阻设置的范围，我们如何设计一个高带宽的测量，同时在直流高阻抗?
高阻抗和高带宽
获得这两种条件的最佳方法是使用主动探针。图5显示了一个轨道探头RP4030的测量传递函数示例。额定带宽为4ghz，与测量的传递函数匹配得很好。
轨道探头的输入阻抗在低频时为50 k欧姆，但在100 kHz以上时下降到50欧姆，可能会引起反射问题。
线缆和针尖带宽
在每个实验室中最常见的电缆是RG58同轴电缆。这些电缆总有一些衰减。图6给出了四种电缆配置的传递函数:
- 1米长的VNA质量50欧姆同轴电缆
- 1米长的RG174同轴电缆，每个电缆组件7美元
- 2米长的RG58电缆，每个电缆组件成本为10美元
- 1米长的RG174电缆，每个电缆组件成本为2美元
这些简单的测量方法提供了一些经验法则。质量良好的2m RG58电缆具有-3 dB带宽，约1.5 GHz。质量好的1米长的RG174电缆具有-3 dB带宽，约5 GHz。这些电缆的两端都有相同的BNC连接器。区别在于电缆的衰减和长度。如果您希望进行任何信号完整性测量，请注意便宜的RG58电缆。这条1米的廉价RG174电缆的测量性能显示出BNC连接器反射噪声的显著纹波。一般来说，在这个价格点上，连接器端子通常不是很好。
当尖端不是同轴的，而是使用微型抓取器拉开时，测量系统的带宽立即下降。图7显示了大尖端环路电感和导线扭曲在一起时的测量带宽。
虽然在尖端扭曲电线是一个好习惯，但不要指望这个技巧会大大增加带宽。在最好的情况下，它可能是200兆赫，然后强烈依赖于细节。实现高带宽探测的方法是使尖端看起来尽可能像一个50欧姆的同轴电缆。
当我们使用微型捕捉器尖端时，一旦我们将信号和返回路径分开，我们就会引入阻抗不连续。我们可以认为这是在尖端增加反射，反射更高频率的成分，就像一个低通滤波器，或作为一个离散电感，产生一个L/R低通滤波器。无论哪种方式，尖端环电感越大，对测量系统带宽的影响就越大。
10x探针带宽
10倍探头实际上是一个复杂的探测系统。它内置了一个滚转频率约为10 kHz的低通滤波器，一个极频约为10 kHz的并联高通滤波器，以及一根特殊的、非常有损的同轴电缆，可以吸收和衰减电缆中的任何高频反射。
为了使用10倍电缆，必须在瞄准镜中使用1 Meg耦合。这将自动降低测量系统带宽约1.2 GHz由于范围放大器。为了查看探针的绝对最高带宽，尖端被同轴适配器替换。这与典型的尖端有大线圈电感的10倍探针有很大不同。
图8比较了这两种情况。
请注意，在同轴尖端和大环尖端的10倍探头的传递函数，在低频处显示约6 dB振幅。这是因为源阻抗为50欧姆，而瞄准镜的输入阻抗为1梅格，如前所述。
作为一般规则，除非特别注意，否则假定10x探针的带宽约为100 MHz。
结论
虽然示波器带宽是描述示波器可以测量的最高频率分量的重要优点，但改变其输入耦合，增加电缆和探头将降低该测量带宽。
有一种简单的方法，不仅测量信号带宽，而且测量范围内的整个传递函数，这是表征测量系统的一种有价值的方法。了解测量系统的传递函数，与来自DUT的信号频谱进行比较，将使您了解有关DUT信号的真实情况以及可能是测量工件的情况。
