數(shù)字電子示波器的電路的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方案

電子示波器是實(shí)驗(yàn)室、工廠和現(xiàn)場(chǎng)的工程人員廣泛使用的儀器，事實(shí)上電子示波器也是通過(guò)電子測(cè)試測(cè)量?jī)x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(dá)測(cè)距迅速發(fā)展的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，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(shí)時(shí)帶寬在70年代達(dá)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(chǎng)的爆炸性發(fā)展，在90年代后斯數(shù)字電子示波器的實(shí)時(shí)帶寬已超過(guò)1GHz。進(jìn)入二十一世紀(jì)2010年代，數(shù)字電子示波器亦獲得飛躍，實(shí)時(shí)帶寬超過(guò)10GHz，等效取樣帶寬達(dá)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(jiǎn)單，主要由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、波形存儲(chǔ)/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(hào)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(hào)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(hào)最高頻率，ADC輸出數(shù)字信息經(jīng)過(guò)濾波和DAC處理后，即可復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的波形。顯然，DAC的時(shí)鐘頻率可以甚低于ADC的取樣頻率。另外，為了降低信號(hào)濾波和處理帶來(lái)的混淆信號(hào)，數(shù)字電子示波器的ADC實(shí)際使用的取樣頻率是模擬輸入信號(hào)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(dá)到20GHz和分辨率8位。如果使用兩塊取樣頻率20GHz的ADC在時(shí)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(shuō)，借助取樣頻率20GHz的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)10GHz的實(shí)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(shí)時(shí)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(cè)量時(shí)間亦相應(yīng)增加。實(shí)時(shí)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(jiǎn)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(tái)面儀器，具有很強(qiáng)的可視性、互動(dòng)性、信號(hào)完整性，測(cè)量功能由硬件定義，良好用戶界面，實(shí)時(shí)帶寬最高，適合于電子產(chǎn)品的開發(fā)、評(píng)估、測(cè)量、排錯(cuò)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(cè)量速度，用最短測(cè)量時(shí)間獲取電氣指標(biāo)的全部數(shù)據(jù)，保證產(chǎn)品及時(shí)上市。在這種情況下，波形數(shù)字化器應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)質(zhì)上波形數(shù)字化器是數(shù)字電子示波器的簡(jiǎn)化版。波形數(shù)字化器只保留ADC前端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/運(yùn)算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話說(shuō)，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡(jiǎn)，使波形數(shù)字化器更適合自動(dòng)測(cè)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?？梢?jiàn)作為模塊的波形數(shù)字化器著重對(duì)輸入模擬信號(hào)的數(shù)字化，電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)練，前端是ADC芯片，隨后是數(shù)字存儲(chǔ)器和板上數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和波形分析，最后經(jīng)由高速總線傳送到自動(dòng)測(cè)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?jǐn)?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(hào)處理器及時(shí)對(duì)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(tái)運(yùn)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(méi)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(jí)電路的工作狀態(tài)均經(jīng)過(guò)圖形界面發(fā)出指令，包括前端的輸入信號(hào)調(diào)理和信號(hào)采集方式，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流，即由存儲(chǔ)器暫存和數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行運(yùn)算。存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)流作連續(xù)的數(shù)字采集和大量波形的儲(chǔ)存，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)波形作數(shù)學(xué)運(yùn)算和參數(shù)分析。所得結(jié)果通過(guò)高速外設(shè)總線送至自動(dòng)測(cè)試設(shè)備子系統(tǒng)的后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果處理。由此可見(jiàn)，波形數(shù)字化器是軟件定義的測(cè)量?jī)x器，軟件起著關(guān)鍵作用，給測(cè)量工程技術(shù)人員提供多路信號(hào)輸入、大量數(shù)據(jù)處理、測(cè)量時(shí)間短、占用面積小、維護(hù)方便、測(cè)量成本低的平臺(tái)。

測(cè)試測(cè)量儀器公司和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)公司都有波形數(shù)字化器，產(chǎn)品的實(shí)時(shí)帶寬覆蓋低頻至射頻，型號(hào)多種多樣。值得注意，波形數(shù)字化器供應(yīng)商如國(guó)家儀器公司（NI），它在自主開發(fā)的PXI儀器總線的平臺(tái)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和自動(dòng)化測(cè)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(diǎn) 是既能夠供應(yīng)PC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬，還能夠供應(yīng)測(cè)量?jī)x器標(biāo)準(zhǔn)總線的模塊。最高指標(biāo)的波形數(shù)字化器采用取樣率4GS/S、分辨率8位、實(shí)時(shí)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(chǎng)供應(yīng)的ADC芯片種類很多，特別是信息技術(shù)和移動(dòng)通信產(chǎn)品，都需要處理視頻信號(hào)，從而推動(dòng)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(jià)比相當(dāng)高。如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)需要專用的波形數(shù)字化器模擬。除了采購(gòu)現(xiàn)成產(chǎn)品以外，亦可考慮自行設(shè)計(jì)。特別是取樣率200MS/S、分辨率16位、實(shí)時(shí)帶寬100MHz的ADC芯片，由于應(yīng)用面廣，無(wú)論在無(wú)線通信、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)手機(jī)、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)圖像、數(shù)據(jù)采集、測(cè)試測(cè)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(diǎn)：

·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(wú)雜散頻率的動(dòng)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(hào)（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(jiàn)，輸入信號(hào)INP、INM經(jīng)過(guò)緩沖輸入級(jí)放大后，由16位ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘作時(shí)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(jí)存儲(chǔ)器。

ADS548X芯片內(nèi)還有電源調(diào)節(jié)電路、基準(zhǔn)電壓、定時(shí)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(chǔ)器和數(shù)字信號(hào)處理器，選擇信號(hào)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(shí)提供ADS548X芯片的評(píng)估實(shí)驗(yàn)板，作為業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理器供應(yīng)商，有多種系列DSP芯片可供工程設(shè)計(jì)人員選擇，或者借助相應(yīng)DSP開發(fā)套件，簡(jiǎn)化模塊的軟件設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)波形數(shù)字化器的快速設(shè)計(jì)和評(píng)估。

幾種波形數(shù)字化器的外觀見(jiàn)圖4。

數(shù)字電子示波器的電路的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方案