測(cè)試電纜的影響可以忽略嗎？

許多公司愿意投入大量資金采購(gòu)測(cè)試測(cè)量?jī)x器和設(shè)備。高速數(shù)字電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)往往會(huì)花費(fèi)一大筆開(kāi)支用于購(gòu)買(mǎi)實(shí)時(shí)示波器。就像大多數(shù)儀器一樣，儀器的性能或指標(biāo)越高，比如示波器的帶寬越高，價(jià)格也會(huì)越高。而需要高帶寬實(shí)時(shí)示波器的公司通常也愿意支付高價(jià)錢(qián)，這是因?yàn)樗麄兤谕@樣的示波器的測(cè)量結(jié)果確實(shí)能夠正確反映被測(cè)試對(duì)象的性能。帶寬不足或精度不夠的示波器，所測(cè)出的信號(hào)上升時(shí)間是不準(zhǔn)的，或測(cè)試可重復(fù)度很差，測(cè)出的信號(hào)抖動(dòng)值比真實(shí)情況偏大等，這使得無(wú)法或錯(cuò)誤評(píng)估設(shè)計(jì)冗余本來(lái)就不大的產(chǎn)品，增加成本，推遲項(xiàng)目或設(shè)計(jì)的市場(chǎng)投放時(shí)間。能夠保證測(cè)量精度的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，會(huì)讓購(gòu)買(mǎi)者覺(jué)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(gè)問(wèn)題是：示波器僅是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一部分或一個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，除了示波器以外，還有和被測(cè)對(duì)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(cè)量精度一樣會(huì)成為影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)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(jià)格相比，電纜的價(jià)格是很低的，甚至是可以忽略不計(jì)的，但對(duì)高速測(cè)量系統(tǒng)，電纜有可能成為影響測(cè)量精度的重要因素。電纜帶來(lái)的信號(hào)損耗不僅影響系統(tǒng)帶寬，頻響平坦度，還直接影響設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)冗余。從整個(gè)電子設(shè)計(jì)行業(yè)的角度來(lái)看，目前企業(yè)在測(cè)量時(shí)，處使用電纜或探頭外，還可能使用其它連接部件，包括開(kāi)關(guān)（測(cè)量多通道）、適配器和夾具。每一個(gè)部件都潛藏常被忽視的問(wèn)題，包括損耗、頻響曲線不平坦等，這些問(wèn)題在信號(hào)速度較慢的時(shí)候可以被忽略不計(jì)，但當(dāng)信號(hào)超過(guò)GHz后，就會(huì)影響關(guān)鍵的電氣性能測(cè)試，帶來(lái)測(cè)試本身的不準(zhǔn)確，浪費(fèi)數(shù)以十萬(wàn)計(jì)美元的投資。更為嚴(yán)重的是這一點(diǎn)往往被有意無(wú)意地忽略。

S21插入損耗是衡量信號(hào)衰減的一項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)一根電纜而言，指的是信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜會(huì)產(chǎn)生一定的幅度衰減，而且這種衰減往往是隨著被測(cè)對(duì)象頻率的變化而變化，因此，插入損耗一般指電纜對(duì)信號(hào)衰減程度與信號(hào)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(fù)值代表信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗。假設(shè)電纜的特征阻抗、源端阻抗、負(fù)載阻抗都是匹配的，比如電纜特征阻抗（Z0）為50Ω，源和負(fù)載都是50Ω，只有在這種情況下，所測(cè)得的插入損耗才能代表所用電纜的真實(shí)情況。如果源和負(fù)載不完全匹配，就會(huì)產(chǎn)生反射，需要借助除S21之外的其它參數(shù)來(lái)建立完整模型。

針對(duì)S21插入損耗，工程師有兩種選擇方案。第一種是購(gòu)買(mǎi)和使用高質(zhì)量同軸電纜；但即使高質(zhì)量同軸電纜也會(huì)因插入損耗而在某個(gè)頻點(diǎn)以上開(kāi)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(duì)所使用的同軸電纜進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得出其頻率響應(yīng)（幅度和相位）曲線，然后用數(shù)字信號(hào)處理的方法補(bǔ)償其帶來(lái)的誤差，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工程師可以對(duì)每條電纜進(jìn)行補(bǔ)償，校正其插入損耗，不過(guò)這種方案有兩個(gè)缺點(diǎn)，首先是測(cè)量和表征電纜需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)，其次是可能出錯(cuò)。

傳統(tǒng)的示波器探頭或電纜校準(zhǔn)只對(duì)直流增益和時(shí)延做校準(zhǔn)，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(duì)其進(jìn)行頻域的補(bǔ)償。但是對(duì)于數(shù)字工程師來(lái)說(shuō)，獲得電纜的S參數(shù)是一個(gè)很大的障礙，因?yàn)镾參數(shù)的測(cè)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(huì)出錯(cuò)。因此實(shí)際情況下測(cè)試電纜的影響被有意或無(wú)意地忽略掉，這是很多高速數(shù)字信號(hào)測(cè)量失真或裕量不夠的一個(gè)來(lái)源。