電子示波器是最受歡迎的電信號(hào)測量工具,目前數(shù)字存儲(chǔ)示波器的實(shí)時(shí)帶寬超過10GHz,取樣數(shù)字示波器的等效帶寬達(dá)到100GHz,在實(shí)驗(yàn)室、車間、現(xiàn)場都有各種電子示波器為電信號(hào)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(shí),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(chǔ)示波器和等效帶寬10GHz以上的取樣示波器,它們的單臺(tái)售價(jià)相當(dāng)昂貴。針對(duì)特定應(yīng)用往往僅使用到某些頻率和功能,此時(shí),根據(jù)被測對(duì)象構(gòu)建用戶定制的數(shù)字存儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)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(shí)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(chǔ)示波器、自動(dòng)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(gè)型號(hào)：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(dòng)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(hào)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(jí))-20℃~110℃(工業(yè)級(jí))

　　AT84AS004芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,從圖1可見,輸入信號(hào)Vin經(jīng)取樣保持電路S/H,送入量化器和邏輯電路,在時(shí)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(shí)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(jí)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(hào)供存儲(chǔ)器、DSP等作數(shù)據(jù)處理使用。芯片的調(diào)節(jié)信號(hào)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(shí)時(shí)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(kuò)展到2GHz。為避免產(chǎn)生波形混淆,數(shù)字存儲(chǔ)示波器只使用第一奈奎斯特區(qū),但是,雙頻通信應(yīng)用時(shí),可進(jìn)入到第二奈奎斯特區(qū),因?yàn)樾铻楦鼘挼妮斎霂挕Ｆ浯?在1GHz下的有效位數(shù)是7.8位而不是10位,由于時(shí)鐘頻率提高和電壓比較器電平不穩(wěn),高頻的分辨率會(huì)下降,從10位變成7.8位。大部分市售數(shù)字存儲(chǔ)示波器的分辨率是8位。在高頻時(shí)會(huì)低于7位。還有,芯片提供1：2和1：4的多工數(shù)字輸出,對(duì)于后端數(shù)據(jù)處理非常有利,可以使用時(shí)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(shí)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(chǔ)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(shí),ΔF =∞,亦即,開關(guān)脈沖寬度趨于零時(shí),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(shí),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(dòng)脈沖加到反向偏置的快速開關(guān)二極管對(duì),+L0和-L0驅(qū)動(dòng)脈沖分別由2PS微帶線短路,產(chǎn)生1PS級(jí)的開關(guān)脈沖,并且對(duì)被測信號(hào)RF取樣。取樣獲得的信號(hào)樣品瞬間電荷保持在Chold電容對(duì)上,將取樣電荷作處理和在慢速時(shí)間上對(duì)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(shí)現(xiàn)高頻高速的開關(guān)變換后,后端的信號(hào)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(hào)和取樣脈沖由小型同軸接頭連接,與數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)時(shí)固定)

　　·孔徑抖動(dòng)—<1ps(RMS),

　　·RF帶寬—達(dá)到100GHz,

　　·RF輸入動(dòng)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(jí)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(jí)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(yùn)行。PSPL使用級(jí)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(shí)相當(dāng)于取樣率10GS/S的實(shí)時(shí)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(shí)基的幾種方法

　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器的時(shí)基取自前端ADC時(shí)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(shí)間步進(jìn)掃描。取樣示波器需要采用有順序延時(shí)的取樣脈沖,而不是等時(shí)的時(shí)鐘脈沖,數(shù)字方法有可程控延時(shí)芯片(PDC)或時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC),它們都有市售產(chǎn)品,延時(shí)增量可從10PS級(jí)至100PS級(jí)變化。后者可獲得10PS級(jí)的步進(jìn)延時(shí),所謂游標(biāo)延時(shí)發(fā)生器實(shí)際上是機(jī)械式游標(biāo)卡尺的電學(xué)實(shí)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(diǎn),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(gè)振蕩頻率F2和F1的頻差F可產(chǎn)生高精度的步進(jìn)延時(shí),如下式所示：

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

　　式中K是兩個(gè)周期的重合點(diǎn),f2(T2)和f1(T1)分別是兩個(gè)不同頻率和相應(yīng)周期,ΔT是時(shí)間差。不難看出,ΔT相當(dāng)步進(jìn)延時(shí),K相當(dāng)取樣點(diǎn)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(diǎn).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(shí)的參改零點(diǎn),f1晶體振蕩器亦整形為方波,兩步頻率由運(yùn)算放大器作差分運(yùn)算得到差頻Δf,根據(jù)實(shí)際需要再作其它邏輯運(yùn)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(shí)為125ns,相當(dāng)于一次掃描長度。

　　需要步進(jìn)延時(shí)的市售芯片時(shí),可考慮ADI公司的AD9501數(shù)字程控延時(shí)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(yùn)算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長度,步進(jìn)延時(shí)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(shí)元件,電路結(jié)構(gòu)是可調(diào)延時(shí)線,可配置成程控延時(shí),脈寬調(diào)制和振蕩器,步進(jìn)延時(shí)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(shí)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(jí)串聯(lián)門序列,具有高達(dá)1GHz的工作頻率,最小步進(jìn)延時(shí)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(shí)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(shí)線,可調(diào)步進(jìn)延時(shí)范圍130~160PS,動(dòng)態(tài)范圍2礢,工作頻率80MHz,4通道輸入。

　　最后,步進(jìn)延時(shí)脈沖要整形和放大,然后送到取樣頭,對(duì)被測信號(hào)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(hào),圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。緩沖級(jí)是T4ACT14,施密特觸發(fā)器,屬于摩托羅拉公