多通道高帶寬同步采集系統(tǒng)

示波器作為基礎(chǔ)性的通用時(shí)域儀器，廣泛應(yīng)用于電子相關(guān)領(lǐng)域的測(cè)量。一般示波器最多配備4個(gè)通道。而一些應(yīng)用需要測(cè)試的通道數(shù)可能大于4個(gè)。例如多通道的高速串行總線（PCI Express x8,x16,x32）、DP-QPSK、天線陣列、相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航裝置等等。這些應(yīng)用有時(shí)需要在時(shí)域上采集多個(gè)信號(hào)，這就需要多通道且高帶寬、高采樣率的時(shí)域儀器。

為了實(shí)現(xiàn)更多采集通道，傳統(tǒng)的做法是將多臺(tái)示波器同步起來(lái)使用。所謂示波器同步，就是每臺(tái)示波器的參考時(shí)鐘同源（相參）、觸發(fā)時(shí)刻一致（采集時(shí)刻一致）。多臺(tái)示波器同步方法如圖 1，一個(gè)外部的時(shí)鐘源輸出到每臺(tái)示波器，并且每臺(tái)示波器由同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)。

圖 1同步多臺(tái)示波器連接示意圖

美國(guó)力科公司針對(duì)這類應(yīng)用，推出了解決方案：多通道、高帶寬、模塊化示波器系統(tǒng)LabMaster，外觀如圖 2 所示。采集通道模擬帶寬可達(dá)45GHz，采樣率可達(dá)120G Sample/s，通道數(shù)則可以達(dá)到20個(gè)。

圖 2 示波器系統(tǒng)LabMaster (左側(cè)為20通道，右側(cè)為8通道)

多通道采集系統(tǒng)很大一部分應(yīng)用的目的是測(cè)試各信號(hào)之間的時(shí)序或相位差，或者要求采集系統(tǒng)不影響信號(hào)之間的相位和時(shí)序關(guān)系。這要求采集系統(tǒng)具有比較高的同步精度，特別是對(duì)于一些高頻、高速信號(hào)的測(cè)試，同步精度要求達(dá)到ps量級(jí)?？梢园聪旅娣椒▉?lái)評(píng)估采集系統(tǒng)的同步精度：將兩個(gè)相位相同的正弦信號(hào)同時(shí)輸入到采集系統(tǒng)任意兩個(gè)通道，經(jīng)過(guò)采集后，測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的相位差，這個(gè)相位差就是這兩個(gè)采集通道之間的同步精度，或者稱為時(shí)序偏斜（skew）、相位誤差。

本文主要從同步精度的角度來(lái)對(duì)比傳統(tǒng)的多臺(tái)示波器同步方式和LabMaster示波器系統(tǒng)，

二.同步精度分析

為了便于討論示波器的同步精度，先來(lái)分析一下示波器采集電路的結(jié)構(gòu)。單臺(tái)示波器采集電路框圖如圖 3。信號(hào)先經(jīng)過(guò)前端調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行量化。ADC由一個(gè)10GHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，稱為時(shí)基（Timebase）時(shí)鐘，產(chǎn)生時(shí)基時(shí)鐘的電路稱為時(shí)基電路。ADC量化的數(shù)據(jù)存入采集存儲(chǔ)器(Memory)中，這是一個(gè)先入先出（FIFO）存儲(chǔ)器，受觸發(fā)電路控制。如果沒(méi)有觸發(fā)，采集存儲(chǔ)器的內(nèi)容不斷被更新。如果觸發(fā)條件到來(lái)，觸發(fā)電路控制存儲(chǔ)器停止更新，并把此時(shí)刻保存的數(shù)據(jù)送去顯示和處理。隨后恢復(fù)更新，觸發(fā)電路等待下一次觸發(fā)條件。

圖 3示波器采集電路框圖
一臺(tái)4通道的示波器，包含4套前端信號(hào)調(diào)理電路、ADC和采集存儲(chǔ)器，它們共用一個(gè)時(shí)基電路和一個(gè)觸發(fā)電路。
再將時(shí)基電路的結(jié)構(gòu)細(xì)化，如圖 4。10GHz時(shí)基時(shí)鐘由一個(gè)10MHz的低頻時(shí)鐘通過(guò)PLL倍頻1000倍得到，這個(gè)低頻時(shí)鐘稱為參考時(shí)鐘，它可以由示波器內(nèi)部的晶體振蕩器（TCXO/OCXO）產(chǎn)生，也可以由外部輸入（External Reference Clock）。內(nèi)部產(chǎn)生的10MHz也可以輸出給其他示波器。示波器一般都有參考時(shí)鐘的輸入和輸出接口，輸入的時(shí)鐘只能是低頻，在內(nèi)部還要經(jīng)過(guò)倍頻。

圖 4示波器采樣系統(tǒng)的時(shí)鐘

把多臺(tái)示波器同步起來(lái)使用時(shí)，示波器引入的時(shí)序偏斜主要包含以下部分：
時(shí)鐘的偏斜和抖動(dòng)
觸發(fā)信號(hào)偏斜和抖動(dòng)
通道延遲

1)時(shí)鐘的偏斜和抖動(dòng)

時(shí)基時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分布網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁魍ǖ繟DC的延遲難免有差異，而每個(gè)通道的ADC都在時(shí)基時(shí)鐘上升沿50%時(shí)刻進(jìn)行采樣和量化，這樣各通道ADC采樣時(shí)刻有偏差。這種偏差是固有的、靜態(tài)的，可以通過(guò)校準(zhǔn)的方式消除。但時(shí)鐘難以避免抖動(dòng)（jitter），抖動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致各通道采樣時(shí)刻有偏差，并且這種抖動(dòng)是動(dòng)態(tài)的、時(shí)變的，無(wú)法消除。只能選擇時(shí)基時(shí)鐘抖動(dòng)小的示波器。高帶寬數(shù)字示波器一般都有一個(gè)規(guī)格指標(biāo)稱為抖動(dòng)噪底（Jitter Noise Floor），該指標(biāo)是時(shí)鐘抖動(dòng)、垂直噪聲等示波器自身引入“干擾”在最終測(cè)試結(jié)果上的形式的反映。例如力科四通道示波器WaveMaster 8Zi-A的抖動(dòng)噪底為125fs。

單臺(tái)四通道示波器的時(shí)基時(shí)鐘抖動(dòng)可能很小。但用同步方式實(shí)現(xiàn)多通道時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)就很難控制在比較小的水平了。多臺(tái)示波器同步需要一個(gè)額外的信號(hào)源輸出10MHz時(shí)鐘分配到每個(gè)示波器的參考時(shí)鐘輸入接口，如圖 1中的紅線所示，也可以把一臺(tái)示波器的參考時(shí)鐘輸出給其他各臺(tái)示波器。無(wú)論哪種參考時(shí)鐘產(chǎn)生方式，都需要一個(gè)時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，這往往是測(cè)試系統(tǒng)集成者定制的，難以保證高穩(wěn)定度，容易受到噪聲的影響。而低頻的參考時(shí)鐘更容易受噪聲影響。

為什么低頻時(shí)鐘對(duì)噪聲更敏感呢？低頻意味著信號(hào)擺率（slew rate）較小。信號(hào)擺率用來(lái)描述信號(hào)邊沿變化的快慢程度，數(shù)值上SlewRate=dv/dt，可以等同于邊沿的斜率。相同幅度的時(shí)鐘信號(hào)，頻率低的邊沿?cái)[率小。因?yàn)樵肼暤挠绊懀瑫r(shí)鐘上升沿50%電平的發(fā)生時(shí)刻可能提前或延后，從而使幅度噪聲轉(zhuǎn)換為時(shí)間抖動(dòng)，如圖5，轉(zhuǎn)換關(guān)系為dt=dv÷SlewRate，這意味參考時(shí)鐘擺率越小，同樣幅度噪聲引起的抖動(dòng)更大。

圖5幅度噪聲轉(zhuǎn)換為時(shí)間抖動(dòng)

因?yàn)榈皖l參考時(shí)鐘進(jìn)入示波器后還需要經(jīng)過(guò)PLL倍頻才能作為ADC的采樣時(shí)鐘，所以多臺(tái)示波器同步方式的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)是如圖6，一個(gè)參考時(shí)鐘同時(shí)輸入到多個(gè)PLL，

圖6多臺(tái)示波器同步方案的時(shí)鐘拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一方面PLL倍頻會(huì)加重時(shí)鐘的抖動(dòng)。另一方面由于多個(gè)PLL輸入并聯(lián)在一起，它們之間相互干擾，也會(huì)加重時(shí)鐘抖動(dòng)。
總結(jié)一下多臺(tái)示波器同步方式的時(shí)鐘抖動(dòng)性能：外部輸入的低頻參考時(shí)鐘容易受干擾，并且多個(gè)PLL倍頻會(huì)加重時(shí)基時(shí)鐘的抖動(dòng)，最終影響各個(gè)通道之間的同步精度。