淺談數(shù)字示波器和取樣示波器的關(guān)鍵器體

電子示波器是最受歡迎的電信號測量工具，目前數(shù)字存儲示波器的實時帶寬超過10GHz，取樣數(shù)字示波器的等效帶寬達(dá)到100GHz，在實驗室、車間、現(xiàn)場都有各種電子示波器為電信號測量提供數(shù)據(jù)。根據(jù)電子示波器的基本原理可分為模擬和數(shù)字兩大類。由于模擬示波器在電路結(jié)構(gòu)上比數(shù)字示波器復(fù)雜，帶寬1GHz以上的電子示波器全部是數(shù)字示波器就不難理解了。當(dāng)帶寬超過10GHz時，取樣數(shù)字示波器又具有電路結(jié)構(gòu)最簡單的優(yōu)勢，除了取樣門要求最高帶寬之外，其它都是低速電路，因而較易獲得100GHz的等效帶寬。

帶寬1GHz以上的數(shù)字存儲示波器和等效帶寬10GHz以上的取樣示波器，它們的單臺售價相當(dāng)昂貴。針對特定應(yīng)用往往僅使用到某些頻率和功能，此時，根據(jù)被測對象構(gòu)建用戶定制的數(shù)字存儲或取樣示波器是可取的方法。本文提供有關(guān)的關(guān)鍵器件和電路都是近年的新產(chǎn)品。

圖1 取樣率2GS/S的ADC芯片的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 雙管式半橋式取樣頭電路

數(shù)字示波器的關(guān)鍵器件

數(shù)字存儲示波器的關(guān)鍵器件——輸入前端模/數(shù)轉(zhuǎn)變器，通常是測量儀器公司自行設(shè)計和專用的高速集成電路，不供市售，例如TeK公司用在TDS5000等系列使用的帶寬500MHz以上的ADC，由TeK和IBM共同開發(fā)制造，成本很高，只供維修時更換。直到今年Atmel公司推出AT84AS系列高速ADC，才有帶寬1GHz，取樣率2GS/S，分辨率10位的產(chǎn)品可供使用。現(xiàn)在，電子應(yīng)用工程師可購買到高速高精度的ADC，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字存儲示波器、自動測試系統(tǒng)、直接射頻轉(zhuǎn)換器等高頻電路。Atmel供應(yīng)的AT84AS系列，目前有兩個型號：AT84AS003和AT84AS004，前者的取樣率1.5GS/S，后者的取樣率2GS/S，兩者完全兼容，AT84AS004的主要特征為：

·最高取樣率-2GS/S

·最高分辨率-10位

·模擬輸入電壓和阻抗-500mv，100Ω（差分）、50Ω（單端）;

·模擬輸入帶寬-3.3GHz

·1GHz的高頻特性—有效位數(shù)7.8位，信噪比51dB，無雜波動態(tài)范圍-55dB，

·調(diào)節(jié)功能-ADC增益，取樣延遲，數(shù)據(jù)有效輸出，超量程指示輸出，1：4多工信號輸出。

·供電電壓—-5V，-2.2V，3.3V，2.5Vp，功率耗散6.5W

·裝封—-EBGA317，25×35mm

·工作溫度-0℃~90℃（民用級）-20℃~110℃（工業(yè)級）

AT84AS004芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從圖1可見，輸入信號Vin經(jīng)取樣保持電路S/H，送入量化器和邏輯電路，在時鐘輸入CLR，取樣延遲調(diào)節(jié)SDA、圖形發(fā)生器有效位PGEB、復(fù)位脈沖DRRB作用下實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換過程。獲得的A/D數(shù)據(jù)輸出經(jīng)解多路復(fù)用器DMUX和低壓差分緩沖級LVDS放大，形成4路輸出端口A、B、C、D，4組輸出的10位數(shù)字信號供存儲器、DSP等作數(shù)據(jù)處理使用。芯片的調(diào)節(jié)信號還有內(nèi)建自測試BIST，異步復(fù)位ASYNRST，增益調(diào)節(jié)GA，二進(jìn)制和灰度碼選擇B/GB，休眠狀態(tài)SLEEP等。

AT84S004芯片是目前市售頻率指標(biāo)最高的ADC。首先是取樣率達(dá)到2GS/S，模擬輸入帶寬是3.3GHz。按取樣原理可知，ΔF≤Fs/2即實時帶寬應(yīng)小于/等于取樣率Fs。該芯片的Fs=2GS/s，求得△F=1GHz，即第一奈奎斯特區(qū)處在1GHz以下，第二奈奎斯特區(qū)擴展到2GHz。為避免產(chǎn)生波形混淆，數(shù)字存儲示波器只使用第一奈奎斯特區(qū)，但是，雙頻通信應(yīng)用時，可進(jìn)入到第二奈奎斯特區(qū)，因為需為更寬的輸入帶寬。其次，在1GHz下的有效位數(shù)是7.8位而不是10位，由于時鐘頻率提高和電壓比較器電平不穩(wěn)，高頻的分辨率會下降，從10位變成7.8位。大部分市售數(shù)字存儲示波器的分辨率是8位。在高頻時會低于7位。還有，芯片提供1：2和1：4的多工數(shù)字輸出，對于后端數(shù)據(jù)處理非常有利，可以使用時鐘較低的閃存和DSP，降低電路成本。

Atmel公司的AT84AS系列TDC仍在發(fā)展中，CMOS芯片的時鐘頻率可達(dá)到5GHz，表明該系列的取樣率還有提高的潛力，Atmel今年已連續(xù)推出1.5GS/S和2GS/S兩種ADC。Maxim公司的MAX108是8位分辨率和1.5GS/S的ADC，同樣適用于數(shù)字存儲示波器。

取樣示波器的關(guān)鍵器體

取樣示波器的關(guān)鍵器件是取樣頭，在原理上并非數(shù)/模轉(zhuǎn)換過程而是開關(guān)過程。如果開關(guān)脈沖寬度用τ表示，等效帶寬用ΔF表示，則求得ΔF=a1/τ，式中α是與開關(guān)脈沖波形有關(guān)的常數(shù)。例如，當(dāng)τ=0時，ΔF =∞，亦即，開關(guān)脈沖寬度趨于零時，等效帶寬趨于無限大。一般假設(shè)開關(guān)脈沖是鐘形函數(shù)，此時，作為估算可取ΔF =0.35/τ，當(dāng)τ=3.5ps，求得ΔF=100 GHz。

取樣門電路可用橋式電路，通常采用如圖2所示的雙管半橋式開關(guān)電路。當(dāng)輸入的+LO和-LO驅(qū)動脈沖加到反向偏置的快速開關(guān)二極管對，+L0和-L0驅(qū)動脈沖分別由2PS微帶線短路，產(chǎn)生1PS級的開關(guān)脈沖，并且對被測信號RF取樣。取樣獲得的信號樣品瞬間電荷保持在Chold電容對上，將取樣電荷作處理和在慢速時間上對樣品重建，即完成順序取樣的顯示過程。由此可見，取樣示波器在取樣門實現(xiàn)高頻高速的開關(guān)變換后，后端的信號處理可在低頻低速下重建。如果后端采用數(shù)字處理，就是取樣數(shù)字示波器，采用模擬處理，就是（模擬）取樣示波器。

取樣門的電路元器件不多，測量儀器公司按微波電路制成在陶瓷片上，密封在金屬外殼內(nèi)，輸入RF信號和取樣脈沖由小型同軸接頭連接，與數(shù)字存儲示波器的ADC芯片相似，取樣示波器的高頻高速取樣頭并無市售產(chǎn)品，近年來情況有很大變化，PSPL（皮秒脈沖實驗室）公司供應(yīng)帶寬高至100GHz的取樣頭，使測量工程師構(gòu)建取樣示波器變得容易得多，也促進(jìn)了取樣技術(shù)的發(fā)展。圖2實際上就是PSPL公司的通過式100GHz取樣頭，取樣頭具有如下的特性：

·取樣孔徑-3ps~35ps（在設(shè)計時固定）

·孔徑抖動—《1ps（RMS），

·RF帶寬—達(dá)到100GHz，

·RF輸入動態(tài)范圍—2Vp-p，

·RF阻抗—50Ω，可用SMA~1mm同軸接頭，

·取樣率—》10GS/S

·取樣效率—60%

由上述指標(biāo)可知，該取樣頭滿足10GHz~100GHz等效帶寬的測量，辦法是調(diào)節(jié)取樣脈沖的寬度，即取樣孔徑。改變圖2中的微帶線長度是最常用的方法，PSPL在這里采用更簡便和靈活的高速反向階躍二級管代替微帶線，構(gòu)成非線性短路傳輸線，達(dá)到取樣脈沖寬度連續(xù)可調(diào)和極快速的上升邊沿。取樣率達(dá)到10GS/S同樣是過去的取樣頭未曾具備的指標(biāo)，傳統(tǒng)電路采用雪崩三極管產(chǎn)生階躍邊沿的脈沖，再由階躍恢復(fù)二極管整形獲得10PS級的取樣脈沖。這種電路的最高工作頻率受雪崩三極管要進(jìn)入飽和區(qū)的限制，只能在1MHz以下的重復(fù)頻率運行。PSPL使用級聯(lián)非飽和放大器電路將方波脈沖整形，得到高重復(fù)頻率的階躍脈沖，取樣率從1GS/S提高到10GS/S。因而，PSPL的100GHz取樣頭既可構(gòu)建等效帶寬〈100的取樣示波器，同時相當(dāng)于取樣率10GS/S的實時數(shù)字示波器。

圖3 取樣脈沖整形和放大電路

產(chǎn)生步進(jìn)時基的幾種方法

數(shù)字存儲示波器的時基取自前端ADC時鐘的倍頻分頻器，亦可采用后端的DAC輸出，兩種方法都獲得時間步進(jìn)掃描。取樣示波器需要采用有順序延時的取樣脈沖，而不是等時的時鐘脈沖，數(shù)字方法有可程控延時芯片（PDC）或時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），它們都有市售產(chǎn)品，延時增量可從10PS級至100PS級變化。后者可獲得10PS級的步進(jìn)延時，所謂游標(biāo)延時發(fā)生器實際上是機械式游標(biāo)卡尺的電學(xué)實現(xiàn)，游標(biāo)卡尺的兩塊夾片的mm標(biāo)度相差1/10，根據(jù)被測物體在兩夾片標(biāo)度測得的重合點，即可獲得0.1mm的讀數(shù)精度。

按游標(biāo)卡尺的同樣原理，利用兩個振蕩頻率F2和F1的頻差F可產(chǎn)生高精度的步進(jìn)延時，如下式所示：

k=f2/（f2-f1）=f2/Δf 或 k=T1/（T1-T1）=T1/ΔT

式中K是兩個周期的重合點，f2（T2）和f1（T1）分別是兩個不同頻率和相應(yīng)周期，ΔT是時間差。不難看出，ΔT相當(dāng)步進(jìn)延時，K相當(dāng)取樣點數(shù)。例如，一塊晶體振蕩器的f1=8.000，000MHz，另一塊晶體振蕩器的f2=8.000，156MHz即可求得T=2.4PS，K=52，083取樣點。具體電路可用通用邏輯IC構(gòu)建，f2晶體振蕩器經(jīng)整形電路形成方波，它的上升邊沿作為步進(jìn)延時的參改零點，f1晶體振蕩器亦整形為方波，兩步頻率由運算放大器作差分運算得到差頻Δf，根據(jù)實際需要再作其它邏輯運算，在室溫下晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-8，兩塊晶體振蕩器獲得的總步進(jìn)延時為125ns，相當(dāng)于一次掃描長度。

需要步進(jìn)延時的市售芯片時，可考慮ADI公司的AD9501數(shù)字程控延時發(fā)生器，從電路結(jié)構(gòu)來看，它是利用DAC產(chǎn)生精確參考電壓與斜波電壓作比較，由運算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長度，步進(jìn)延時最小10PS的可調(diào)脈沖，最高觸發(fā)頻率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定時元件，電路結(jié)構(gòu)是可調(diào)延時線，可配置成程控延時，脈寬調(diào)制和振蕩器，步進(jìn)延時分為0.25，0.5，1.0，2.0，5.0ns共5檔。性能最好的MC100195程控延時芯片是安森半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，采用ECL工藝和面陣列封裝，電路結(jié)構(gòu)是多級串聯(lián)門序列，具有高達(dá)1GHz的工作頻率，最小步進(jìn)延時20PS，最大掃描長度2.0ns還可多芯片串接，獲得更大掃描長度。關(guān)于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的市售芯片可選產(chǎn)品不多，法國ESRF公司的AMS111芯片主要用于核電子測量，電路結(jié)構(gòu)是可調(diào)延時線，可調(diào)步進(jìn)延時范圍130~160PS，動態(tài)范圍2礢，工作頻率80MHz，4通道輸入。

最后，步進(jìn)延時脈沖要整形和放大，然后送到取樣頭，對被測信號取樣。完成開關(guān)取樣的轉(zhuǎn)換過程。隨著RF放大器性能的進(jìn)步，帶寬1GHz，轉(zhuǎn)換率優(yōu)于6KV/礢的晶體管有多種型號，圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。