示波器信号重新校准与电缆脱嵌

示波器测量的是施加在其输入端的电压。在大多数情况下这样做都没什么问题，但在某些情况下，有必要移动参考测量平面并对示波器的测量结果进行重新校准。例如，如果使用最小插损的阻抗盒(MLP)来端接阻抗为75Ω(而不是示波器输入端的50Ω)的测量源，那么测量相对的基准就是阻抗盒的输入。同样，如果用一个传感器来测量某个物理源，那么就需要在传感器的输入端进行测量，测量的单位可能要做改变。这些只是必须对示波器测量进行重新校准、以改变参考平面和可能的测量单位的几个例子。还有一些情况是，必须消除连接电缆的影响，使示波器端口相当于电缆输入端。

对75Ω输入进行重新校准

考虑测量一个来自75Ω信号源的信号，比如摄像机。摄像机的工作负载为75Ω。为了确保信号源和示波器之间有正确的阻抗匹配，会使用一个75Ω到50Ω的阻抗盒将摄像机匹配到示波器，反之亦然。L型阻抗盒网络是一种常见的MLP。这种阻抗盒以75Ω阻抗连接输入的信号。当从输出端向看向信号源时，阻抗却是50Ω。图1为75Ω转50Ω的MLP电路图。

图1：用于将75Ω信号源连接到示波器50Ω输入端的L型阻抗匹配盒电路图。

通过一些基本的电路分析很容易发现，当从75Ω的源端看向示波器时，这个L型阻抗盒的电压插入损耗为7.48dB(增益为0.422)。如果示波器在默认模式下使用，所有参考MLP的50Ω输出的电压测量值都会低7.48dB。利用示波器自带的几款工具可以用来重新校准输入测量值，将测量平面移到MLP的输入侧。

最容易使用的是输入通道重新校准功能。下例所用示波器的通道设置对话框中就有重新校准功能(图2)。

图2：通道对话框中的重新校准功能，允许用户对通道输入乘以一个常数，或增减一个常数，并能修改测量单位。

上述MLP的增益为0.422。通过重新校准将输入信号乘以增益的倒数2.37，即可使信号水平回到MLP输入端的满刻度值。测量现在以MLP输入为基准，包括光标读数和参数在内的示波器所有测量都将读取该点的电压。摄像机现在工作在75Ω的负载上，而示波器看到的是50Ω的源阻抗，一切都很完美。

重新校准功能也可以用来转换测量单位。这样来自传感器或换能器的读数不仅可以被正确地校准，还可以用适当的物理单位进行表征。

加速度计测量

上述示波器的重新校准功能也可以作为一个数学函数，应用于输入通道或其他类型的示波器迹线。使用数学函数可以同时观察输入和输出波形。图3显示了包括单位转换功能在内的重新校准基本操作。

图3：数学校准函数除了可以提供与通道校准相同的基本操作外，还允许用户同时观察输入与输出波形。

本例中的信号源是一个灵敏度为10mV/g的加速度计。加速度计安装在一个小型空压机上，用于监测垂直加速度。上面的迹线是加速度计的输出，其垂直单位为伏特。尽管加速度计的灵敏度是以mV/g为单位，但业界经常用mV/m/s2为单位的重校常数来简化加速度的积分，进而获得速度和位移测量值(单位分别为m/s和m)。重校函数校准方法为，将加速度计的电压信号乘以灵敏度的倒数(单位为m/s2/v)，具体数值为980E-6。勾选“覆盖单位”选框，在“输出单位”框中输入m/s2输出单位。

查看重新校准函数的输入和输出，有助于掌握输入的特性，如偏移、过载和可能影响重校结果的限幅等问题。

由于重校后的测量单位改为m/s2，因此可以将加速度积分为速度，再将速度积分为位移，如图4所示。

图4：重新校准单位的灵活性，允许利用更有意义的测量单位对加速度计信号进行附加处理。每次积分操作都有调整增益和偏移的好处，从而可以消除由偏移引起的累积误差。

本例中使用的示波器在处理过程中的每个阶段，都会自动改变输入单位，所以在第一次积分后，看到的是以m/s为单位的速度迹线。在第二次积分后，波形则代表以m为单位的位移。位移的峰峰值是9.13nm。基频是53.8Hz，这与驱动压缩机的感应电机有关。正如所看到的那样，重校幅度和改变测量单位的功能是非常有用的。

该输入通道重校功能只能用于其关联通道，而前面所讲的数学重校函数则可以用于示波器的其他各种功能。因此，如果想把一个信号的FFT从相对于1mw的原始分贝值(dBm)扩展到相对于1v的分贝数(dBv)，那就需要从dBm读数中减去13dB。在FFT输出端使用数学重校函数时，乘法常数被保留为1，而-13被输入到常数域，此时单位则应改成dBv。这样就完成了对FFT的重新校准，可以显示垂直单位为dBv的频谱。

脱嵌函数示例

电缆脱嵌虽然也与重新校准有关，但却是一个更复杂的过程。重新校准只是让波形乘以或加上一个常数，脱嵌则是一个纠正或去除信号中与频率有关的变化过程。一些中、高带宽的示波器中都有基本的脱嵌功能。最基本的形式是对输入通道中的电缆脱嵌，用来消除测量中连接电缆的影响。像重新校准一样，这将把测量平面从电缆的输出端移动到输入端。

电缆的作用就像低通滤波器，会限制信号的带宽。像低通滤波器一样，它们因为会滤除高频成分而降低高频信号的振幅。这也增加了脉冲状信号的上升时间。脱嵌的基本概念是，采用频率响应与电缆频率响应相反的脱嵌滤波器。一般电缆呈低通响应，因此脱嵌滤波器应该具有高通响应。如图5所示，这样通过组合，响应将恢复到正常(无电缆)。

图5：脱嵌的基本概念是利用一个具有互补频率响应的滤波器，对电缆输出信号进行补偿来抵消电缆的影响，从而产生一个平坦的频谱响应。

在电缆脱嵌功能的用户界面中，需要对电缆加以描述，包括其长度、传播速度和频率响应。至于频率响应输入方式，可以是表格形式的S参数中的前向传递函数(S21)，也可以是每100英尺电缆的衰减量，该衰减量为频率的函数，通过制造商频率响应方程中的常数A1和A2来表征。该方程的形式为：

方程中的两个项分别代表阻性损耗和电介质损耗。

图6为通过一条1米RG316电缆连接的1.25GS/s NRZ波形的电缆脱嵌实例。

图6：使用上述衰减方程对长度为1米的RG316电缆进行电缆脱嵌设置，插入部分(红框内)显示的是脱嵌前的信号。

红框部分是脱嵌前的信号图。它的平均上升时间为236ps，下降时间为236ps，振幅(顶部到底部)为300.3mV。脱嵌设置使用了上面的插入损耗方程，其中制造商提供的常数A1=25.393，A2=3.017，长度为1米，速度系数为0.66。脱嵌后平均上升时间减少了6ps，平均下降时间减少了6.4ps，平均振幅增加了10.8mV。因此，电缆脱嵌功能通过减小电缆的影响，从而提高了信号的质量。

这种电缆脱嵌功能是这种示波器的标配。为了对串行数据流进行一致性测试，大多数高性能示波器会提供一个更完整的脱嵌软件选项，包括脱嵌电缆、主板和夹具等功能。这些示波器能够在被测设备中的任何地方进行虚拟探测。

重新校准和脱嵌的用途

设计师和测试工程师要明白，重新校准和脱嵌是非常有用的功能，它们可以用来解决可能会由于输入接口问题所引起的严重测量误差。

(参考原文：Rescaling oscilloscope signals and de-embedding cables）

本文为《电子工程专辑》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅