數(shù)字電子示波器的電路的應(yīng)用和設(shè)計方案

電子示波器是實驗室、工廠和現(xiàn)場的工程人員廣泛使用的儀器，事實上電子示波器也是通過電子測試測量儀器類中，銷量最大和銷售金額最高的產(chǎn)品。在30年代末至40年代初，受電視廣播和雷達測距迅速發(fā)展的市場驅(qū)動，模擬電子示波器基本定型，劃分為垂直放大、橫向掃描、觸發(fā)同步和示波管（CRT）顯示的四大部分。模擬電子示波器的實時帶寬在70年代達到1000MHz的高峰，隨著數(shù)字技術(shù)和集成電路的出現(xiàn)，以真空管和寬帶放大電路為主導(dǎo)的模擬電子示波器，從80年代開始逐步由數(shù)字電子示波器所取代。隨著信息技術(shù)和數(shù)字通信市場的爆炸性發(fā)展，在90年代后斯數(shù)字電子示波器的實時帶寬已超過1GHz。進入二十一世紀2010年代，數(shù)字電子示波器亦獲得飛躍，實時帶寬超過10GHz，等效取樣帶寬達到100GHz。

數(shù)字電子示波器的電路構(gòu)成比模擬電子示波器簡單，主要由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、波形存儲/處理器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和液晶（LCD）波形顯示四大部分。模擬電子示波器從信號輸入前端至波形顯示后端都需要具有寬帶響應(yīng)，然而數(shù)字電子示波器只需要前端模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有與輸入信號相同的寬帶響應(yīng)，隨后各種電路的頻率響應(yīng)均相應(yīng)降低。根據(jù)取樣原理可知，在最佳條件下取樣頻率等于2倍輸入模擬信號最高頻率，ADC輸出數(shù)字信息經(jīng)過濾波和DAC處理后，即可復(fù)現(xiàn)輸入信號的波形。顯然，DAC的時鐘頻率可以甚低于ADC的取樣頻率。另外，為了降低信號濾波和處理帶來的混淆信號，數(shù)字電子示波器的ADC實際使用的取樣頻率是模擬輸入信號最高頻率的4倍而不是2倍。

目前，最高水平的ADC取樣頻率達到20GHz和分辨率8位。如果使用兩塊取樣頻率20GHz的ADC在時間軸上疊加，將獲得取樣頻率40GHz的分辨率8位的等效ADC功能。換句話說，借助取樣頻率20GHz的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)10GHz的實現(xiàn)帶寬，但分辨率只有8位。如果允許降低ADC的取樣率，則不難提高ADC的分辨率。例如，取樣率1MHz的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)28位分辨率。實時帶寬100MHz以上的數(shù)字電子示波器，完全采用8位分辨率，為了提高分辨率可使多次取樣平均，但是測量時間亦相應(yīng)增加。實時帶寬100MHz以下的數(shù)字電子示波器，能夠提供8位、10位以及16位以上分辨率的產(chǎn)品。

簡練的波形數(shù)字化器

從以上介紹可知，數(shù)字電子示波器屬于性能完備的臺面儀器，具有很強的可視性、互動性、信號完整性，測量功能由硬件定義，良好用戶界面，實時帶寬最高，適合于電子產(chǎn)品的開發(fā)、評估、測量、排錯的應(yīng)用。

然而，在電子元器件和設(shè)備的產(chǎn)品線中往往需要提高測量速度，用最短測量時間獲取電氣指標的全部數(shù)據(jù)，保證產(chǎn)品及時上市。在這種情況下，波形數(shù)字化器應(yīng)運而生，實質(zhì)上波形數(shù)字化器是數(shù)字電子示波器的簡化版。波形數(shù)字化器只保留ADC前端和數(shù)據(jù)存儲/運算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話說，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡，使波形數(shù)字化器更適合自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用。

波形數(shù)字化器的電路構(gòu)成

波形數(shù)字化器的電路框圖如圖1所示。可見作為模塊的波形數(shù)字化器著重對輸入模擬信號的數(shù)字化，電路結(jié)構(gòu)非常簡練，前端是ADC芯片，隨后是數(shù)字存儲器和板上數(shù)字信號處理器對信號進行算術(shù)運算和波形分析，最后經(jīng)由高速總線傳送到自動測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制器。與數(shù)字電子示波器相比，由于波形數(shù)字化器只保留高速的前端ADC電路，直接利用PC的高速外設(shè)總線傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，例如PCI和PCI Express總線，都比GPIB、VXI、LXI等儀器通用總線具有更高傳輸速度。此外，波形數(shù)字化器的板上數(shù)字信號處理器及時對模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作分析、處理，然后交由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的PC作后臺運算。

波形數(shù)字化器的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。模擬儀器沒有物理面板和顯示屏，只有虛擬面板，故波形數(shù)字化器各級電路的工作狀態(tài)均經(jīng)過圖形界面發(fā)出指令，包括前端的輸入信號調(diào)理和信號采集方式，輸入信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流，即由存儲器暫存和數(shù)字信號處理進行運算。存儲器對數(shù)據(jù)流作連續(xù)的數(shù)字采集和大量波形的儲存，同時數(shù)字信號處理器對波形作數(shù)學(xué)運算和參數(shù)分析。所得結(jié)果通過高速外設(shè)總線送至自動測試設(shè)備子系統(tǒng)的后臺計算機進行測量結(jié)果處理。由此可見，波形數(shù)字化器是軟件定義的測量儀器，軟件起著關(guān)鍵作用，給測量工程技術(shù)人員提供多路信號輸入、大量數(shù)據(jù)處理、測量時間短、占用面積小、維護方便、測量成本低的平臺。

測試測量儀器公司和自動測試系統(tǒng)公司都有波形數(shù)字化器，產(chǎn)品的實時帶寬覆蓋低頻至射頻，型號多種多樣。值得注意，波形數(shù)字化器供應(yīng)商如國家儀器公司（NI），它在自主開發(fā)的PXI儀器總線的平臺上配合Lab VIEW圖形編程軟件，構(gòu)成的數(shù)據(jù)采信系統(tǒng)在自動測試系統(tǒng)和自動化測量中占有重要地位。另外一家ZTEC儀器公司是專業(yè)模擬數(shù)字化器供應(yīng)商，它的特點是既能夠供應(yīng)PC工業(yè)標準的模擬，還能夠供應(yīng)測量儀器標準總線的模塊。最高指標的波形數(shù)字化器采用取樣率4GS/S、分辨率8位、實時帶寬1GHz的ADC芯片。

由于波形數(shù)字化器模擬的電路構(gòu)成并不復(fù)雜，市場供應(yīng)的ADC芯片種類很多，特別是信息技術(shù)和移動通信產(chǎn)品，都需要處理視頻信號，從而推動視ADC芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。著名的德州儀器公司（TI）、模塊器件公司（ADI）等有多種ADC系列芯片供應(yīng)，性價比相當(dāng)高。如果我們在設(shè)計自動測試系統(tǒng)時需要專用的波形數(shù)字化器模擬。除了采購現(xiàn)成產(chǎn)品以外，亦可考慮自行設(shè)計。特別是取樣率200MS/S、分辨率16位、實時帶寬100MHz的ADC芯片，由于應(yīng)用面廣，無論在無線通信、數(shù)碼相機、移動手機、雷達、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)據(jù)采集、測試測量等領(lǐng)域都需要大量產(chǎn)品。以德州儀器公司的ADS548X系列ADC芯片為例，它具有以下特點：

·最高取樣率200MS/S，帶寬100MHz

·分辨率16位，滿量程的背境噪聲78dB

·無雜散頻率的動態(tài)范圍95dBc

·片上高阻抗的差分緩沖輸入放大器

·高效率的低壓差分信號（LVDS）的數(shù)字輸出

·供電電壓+5V和+3V，功率耗散70mW

·64引腳QFN-64封裝，占位面積9×9mm

·溫度范圍-40至85℃

ADS548X系列ADC芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，從圖中可見，輸入信號INP、INM經(jīng)過緩沖輸入級放大后，由16位ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的取樣時鐘作時分取樣。再經(jīng)數(shù)字修正和整形，樣本值送入8組低壓差分放大，由數(shù)據(jù)線D0、D2和D14輸出至后級存儲器。

ADS548X芯片內(nèi)還有電源調(diào)節(jié)電路、基準電壓、定時控制、工作方式控制等輔助功能塊。作為波形數(shù)字化器的前端芯片，ADS548X是集成度和性能較高的ADC并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，配合后端的緩沖存儲器和數(shù)字信號處理器，選擇信號采集系統(tǒng)的接口總線，即可構(gòu)成完整的波形數(shù)字化器模塊。德州儀器公司同時提供ADS548X芯片的評估實驗板，作為業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字信號處理器供應(yīng)商，有多種系列DSP芯片可供工程設(shè)計人員選擇，或者借助相應(yīng)DSP開發(fā)套件，簡化模塊的軟件設(shè)計流程，實現(xiàn)波形數(shù)字化器的快速設(shè)計和評估。

幾種波形數(shù)字化器的外觀見圖4。

數(shù)字電子示波器的電路的應(yīng)用和設(shè)計方案