數(shù)字化儀/示波器的關(guān)鍵特性介紹 寬帶信號測量方案解析

我們生活在一個存在巨大技術(shù)斷層的時代。新興的無線通信應用趨向于更寬的帶寬、更高的頻率、更密集的調(diào)制方案、多個信道，以及有更多的數(shù)據(jù)需要管理。為了測量寬帶信號，工程師通常需要使用示波器和數(shù)字化儀，這些儀器利用 ADC 技術(shù)進行波形采集。在某些情況下，這些儀器可互換使用進行波形分析。然而，盡管存在許多相似之處，示波器和數(shù)字化儀終究有些區(qū)別，它們分別針對不同的目標應用進行了優(yōu)化。例如，示波器通常配有大型前面板顯示屏和鍵盤，用于快速呈現(xiàn)隨時間變化的波形。某些儀器廠商將示波器當作數(shù)字化儀推廣，或?qū)?shù)字化儀作為示波器推廣，這可能會造成困惑。本文針對數(shù)字化儀或示波器的關(guān)鍵特性進行了詳細介紹，以供您在選擇下一個寬帶測量解決方案時參考。

在設(shè)計寬帶測試解決方案時，要考慮以下這些關(guān)鍵特性：

表 1. 寬帶測量要考慮的關(guān)鍵特性。

我們來詳細解釋幾個關(guān)鍵項：

·分辨率和動態(tài)范圍。數(shù)字化儀和示波器都使用 ADC 來采集波形數(shù)據(jù)。ADC 對輸入電壓進行采樣，并得出電壓電平的二進制表示。有效位數(shù)（ENOB）能很好地衡量動態(tài)范圍。ENOB 是考慮到噪聲和失真的有效位分辨率。它準確地反映了頻域或時域測量中出現(xiàn)的寬帶噪聲。

ENOB = （SINAD – 1.76） / 6.02

§SINAD（信號-噪聲及失真比）衡量的是信號質(zhì)量。ADC 分辨率會對它造成影響，但還有其他一些因素也對它有影響。

例如：

-8 位采集將 10 Vpp 輸入范圍分成 28 份 = 256 級，每級為 39 mV

-10 位采集將級數(shù)增加 4 倍，16 位增加 256 倍（10Vpp 輸入范圍分為每級 152 uV）

示波器通常在非常大的帶寬上使用 8 位 ADC 進行采集。通過在示波器內(nèi)添加不同的濾波技術(shù)可以改善 ENOB。例如，是德科技 InfiniiVision 示波器（配有 8 位 ADC，采樣率達 2.5 GS/秒）具有高分辨率模式，可以在降低帶寬的前提下實現(xiàn)更好的分辨率，將 ENOB 提升到 12 位。示波器分辨率適用于呈現(xiàn)非常寬的帶寬上的時域測量結(jié)果。

數(shù)字化儀通常采用 12 位或 14 位 ADC，并可以在縮小的帶寬上獲得更高的分辨率。數(shù)字化儀通常具有更高的 ENOB，或者在更窄帶寬上提供更高分辨率。對于需要進行頻譜分析或具有動態(tài)信號（同時包含大電壓和小電壓分量）的應用（如調(diào)制后的波形），較高的 ENOB 有助于實現(xiàn)更高的分辨率和更低的本底噪聲（或更好的無雜散動態(tài)范圍，即 SFDR）。與 8 位示波器可以提供 45 dB SFDR 相比，具有更高分辨率和良好 SFDR 的數(shù)字化儀能在數(shù)據(jù)分析期間捕獲更精細的細節(jié)，例如，一臺 10 位數(shù)字化儀可以提供 57 dB 的 SFDR，而 12 位數(shù)字化儀則能達到 65 dB。

·輸入帶寬和采樣率。選擇具有足夠帶寬的數(shù)字化儀或示波器對于準確捕獲信號中最高頻率分量非常重要。奈奎斯特采樣定理表明，對于采樣系統(tǒng)，奈奎斯特頻率 Fn 等于采樣頻率 fs 的 1/2。奈奎斯特頻率以上的信號能量將與 ADC 采樣率混合，其產(chǎn)物將折返到基帶上感興趣信號的頂部，導致無法實施精確采集（也稱為混疊）。輸入帶寬限制濾波器通常用于確保沒有信號能量高于有效奈奎斯特頻率。

圖 1. 輸入帶寬和采樣頻率。

在示波器中，最大額定采樣率 fs 應當比實時帶寬高 2.5 至 3 倍。這使得波形重建濾波器能夠以很好的分辨率精確再現(xiàn)高速信號的波形。

在數(shù)字化儀中，您可以考慮選擇超過采樣率（fn）一半的帶寬。有時可以通過欠采樣（undersampling）和特殊輸入濾波來捕獲大于 Fs/2 的頻率。例如，是德科技的 M9203A 和 M9703B 數(shù)字化儀支持 2 GHz 帶寬，ADC 采樣時鐘速率為 1.6 GS/s，允許使用欠采樣直接進行下變頻。

在更高分辨率的數(shù)字化儀中，應當考慮到帶寬增加時隨之上升的總體噪聲。電路上增加的額外信號調(diào)理可能會影響 SFDR。這也是為什么數(shù)字化儀通常通過有限的滿標度范圍（SFR）功能來保持交流或直流耦合，以確保獲得最低失真和最大動態(tài)范圍（以及最好的 SFDR）。

示波器可以提供多種 FSR 和交流/直流耦合選擇。45 dB 的 SFDR 足以同時呈現(xiàn)大信號和小信號。帶寬越大，影響就越小，因為在 8 位分辨率下看不到增加的噪聲。

·采集存儲器和數(shù)據(jù)流傳輸。請確保您有足夠的采集存儲器，能在適當?shù)挠^察時間窗口內(nèi)捕獲最復雜的信號。這需要根據(jù)應用和需要收集的數(shù)據(jù)量來確定。在數(shù)字化儀中，采集存儲器通常以 MSa 或 GSa 為單位，在示波器中則以 Mpts 為單位。它們決定了每個 ADC 板上存儲器的大小。

時間間隔 = 采集存儲器/采樣率

某些記錄應用需要長時間采集數(shù)據(jù)，不可能在板上存儲器中存儲數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，可以使用離線數(shù)據(jù)流傳輸來采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到外部存儲設(shè)備上進行后期處理。許多模塊化數(shù)字化儀是數(shù)據(jù)流傳輸?shù)睦硐胫x，因為它們直接與高速PCIe總線相連。

高級觸發(fā)、分段和 DDC 等技術(shù)減少采集所需的板上存儲器。

圖 2. 傳統(tǒng)和分段存儲器采集。

示波器和數(shù)字化儀通常都支持分段存儲器技術(shù)。有了分段存儲器，您可以使用觸發(fā)或選通來選擇性地捕獲波形數(shù)據(jù)，從而減少所需的采集存儲器容量。

數(shù)字化儀采用諸如零抑制（zero suppress）等數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，只保留超過給定閾值的相關(guān)信號。它們還使用數(shù)據(jù)打包和四舍五入來優(yōu)化可用存儲器空間。也使用諸如數(shù)字下變頻（DDC）等實時數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。DDC 直接在 ADC 數(shù)據(jù)上進行數(shù)據(jù)的頻率轉(zhuǎn)換和抽取。圖 3 中的框圖顯示了其基本原理。捕獲到復雜的 IQ 數(shù)據(jù)，可以使中心頻率下變頻到 0 Hz。然后使用濾波和數(shù)據(jù)抽取來去除不需要的頻率分量，縮減所需數(shù)據(jù)的大小。在對寬帶采集中的一小段頻譜進行分析時，DDC 非常有價值。DDC 不僅可以減少所需的存儲空間，而且可以降低寬帶綜合噪聲，改善整體信噪比（SNR）。

圖 3. DDC 操作框圖。

· 波形更新速率。示波器具有較高的板上波形更新速率，能夠查看意外事件和毛刺。一旦發(fā)現(xiàn)隨機事件，您可以調(diào)整示波器的增強觸發(fā)來捕獲感興趣的事件。

圖 4. 示波器具有超過每秒 1，000，000 個波形的更新速率，讓用戶可以看到意外事件和毛刺。

采集之間的靜寂時間可能需要保持在最短，具體取決于應用情況。高速數(shù)字化儀通過技術(shù)手段將靜寂時間控制到最短，例如同時采集和讀出（或 SAR 模式）。

觸發(fā)。觸發(fā)支持同步進行信號采集，包括簡單的功能（如何時開始采集）和更復雜的觸發(fā)（如碼型觸發(fā)、突發(fā)脈沖觸發(fā)，甚至是特定串行協(xié)議觸發(fā)）。示波器通常支持許多不同類型的觸發(fā)，包括邊沿、脈沖寬度、碼型、上升/下降時間、第 N 個邊沿突發(fā)脈沖、矮波（Runt）、建立/保持等。某些示波器（如InfiniiVision）還支持串行總線的特定串行協(xié)議觸發(fā)，如 CAN、FlexRay、I2C、LIN、MIL-STD1553、URAT 等。

數(shù)字化儀通常支持 ATE 類型的觸發(fā)，如邊沿和/或通道電平觸發(fā)，這種觸發(fā)規(guī)定了何時開始記錄采集。許多數(shù)字化儀支持觸發(fā)前和觸發(fā)后數(shù)據(jù)采集。在 ATE 或更大的嵌入式系統(tǒng)中，請務(wù)必考慮觸發(fā)重新準備（re-arm）時間，并確保所有觸發(fā)在所有通道/儀器上同時發(fā)生。如果使用隨附的觸發(fā)時間插補器（TTI），數(shù)字化儀觸發(fā)定位可以精確到幾ps。例如，M9703B 就達到了 15 ps的精度。額外的特定觸發(fā)檢測設(shè)計可用于通過開放的 FPGA 體系結(jié)構(gòu)進行實時檢測。

測量和分析。示波器針對易用性和測量速度進行了優(yōu)化。它們的硬件中內(nèi)置了各種測量和分析工具。如果是臺式示波器，用戶可以從臺式儀器的前面板訪問這些測量和工具，如果是模塊化儀器，用戶可以從軟件前面板訪問。這使得示波器非常適合用于在設(shè)計或故障診斷期間進行的各種常見測試。由于測量在硬件中執(zhí)行，因此可以快速獲取結(jié)果，縮短測試臺或 ATE 環(huán)境的測量時間。以下所示為InfiniiVision系列示波器中提供的一些算數(shù)運算、FFT 和串行協(xié)議分析工具。

表 2. 是德科技PXIe M924xA 示波器提供的板載測量和分析工具。

另一方面，數(shù)字化儀依靠計算機上的應用軟件來完成大量分析。一些數(shù)字化儀允許訪問板載 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），因此可以在儀器中添加自定義代碼、濾波器、校正或數(shù)據(jù)壓縮方案。這樣的例子包括向輸出添加算數(shù)運算，或隨附查詢表來更改輸出。在某些情況下，您可能需要將自定義 IP 添加到儀器中來執(zhí)行特殊功能。在儀器 FPGA 中添加定制功能可以增加儀器功能、降低成本、縮短開發(fā)時間，還可以提高測量速度。它也可以用于計算，所以您只需要處理數(shù)據(jù)輸出即可，減少了要管理的數(shù)據(jù)量。

圖 5. 將自定義代碼寫入儀器的 FPGA，可以縮短測量時間、加快測試或縮減數(shù)據(jù)需求。

示波器和數(shù)字化儀都可以利用其他特定應用軟件和分析工具來處理采集的信號。常用分析工具包括MathWorks或是德科技的 89600 VSA 復雜調(diào)制分析軟件。

探測和輸入電壓。探測對于獲得所需的信號至關(guān)重要。此外，如果考慮在更高頻率、更高電壓或更大電流下增加的電容負載，探測可能會變得更復雜。在進行較高頻率的測量時應當使用有源探頭。示波器通常提供各種探測選件，包括無源探頭、有源的電壓和電流探頭、高電壓探頭、差分探頭和光學探頭。探頭采用與示波器輸入阻抗相匹配的設(shè)計。通過選擇正確的探頭，示波器可以支持更高的電壓和電流輸入。

數(shù)字化儀通常不包括匹配的探頭解決方案，并且在很多情況下只支持固定的 50 Ω 輸入阻抗，其目的是盡量減少信號路徑中額外電路的影響。此外，數(shù)字化儀通常嵌入在更大的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)中的信號連接是固定連接。

總結(jié)

示波器和數(shù)字化儀都使用 ADC 進行寬帶測量，但它們都針對不同的使用模式和應用進行了優(yōu)化。

示波器針對在非常寬的帶寬測試上的可視性進行了優(yōu)化。它們具有非常高的波形更新速率，可用于查看和識別未知事件或毛刺。高級觸發(fā)支持對特定事件進行歸零，以供進一步分析或觸發(fā)高速串行總線測試。各種類型的示波器探頭能用于查看設(shè)計中不同點上的信號，通過信號調(diào)理來適應高電壓、高電流或高頻率。典型的示波器應用包括：

對設(shè)計執(zhí)行調(diào)試和故障診斷。示波器可以查看信號細節(jié)—它具有極高的波形更新速率，能夠顯示波形細節(jié)（如毛刺和異常），并且能對設(shè)計中的目標區(qū)域進行探測。

捕獲不常見的通信誤碼對于串行協(xié)議解碼至關(guān)重要，具有硬件觸發(fā)和串行協(xié)議解碼功能的示波器可以實現(xiàn)這一點。

表征和驗證數(shù)字 I/O 性能以及各種 COTS 技術(shù)（包括 CAN、DDR、DisplayPort、PCIe、NFC 和其他技術(shù)）。

寬帶數(shù)字化儀用于對信號保真度要求很高的應用。它們通常具有高分辨率和高動態(tài)范圍，以及用于捕獲信號的深存儲器，以便使用快速多通道PCIe總線將信號發(fā)送給計算機進行后期處理。在采集大量數(shù)據(jù)時偶爾會使用數(shù)據(jù)流傳輸。ATE 系統(tǒng)和高密度多信道信號分析應用都得益于具有高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）技術(shù)的數(shù)字化儀。典型的數(shù)字化儀應用包括：

使用單信道或多信道數(shù)字化儀來監(jiān)測電信號，以確定事件的物理特性，常用于激勵響應實驗。數(shù)字化儀可在不同時間點記錄信號特征，以便對事件發(fā)生前后的情況進行分析。

通過進行多次跨信道幅度和相位測量可以校準多通道天線，然后進行比較，以確保信道/組件之間保持最小相位差。多通道數(shù)字化儀用于快速獲取跨信道幅度和相位測量結(jié)果以進行比較。

多通道高速數(shù)字化儀用于采集 MIMO 探測信號。

信號經(jīng)過采樣后，由板載 FPGA 加以處理，或?qū)?I 和 Q 數(shù)據(jù)發(fā)送到外部存儲設(shè)備進行后期處理，以便在 5G 毫米波 MIMO 信道探測應用中創(chuàng)建有效的信道脈沖響應（CIR）數(shù)據(jù)。