安捷倫S系列示波器硬件設(shè)計(jì)解剖
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Infiniium S系列示波器使用業(yè)內(nèi)帶寬最高采樣率最快的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），垂直分辨率是傳統(tǒng)示波器的四倍（因?yàn)閭鹘y(tǒng)示波器大都采用8位ADC），信號(hào)細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)更加精確。結(jié)合低噪聲前端，S 系列示波器的有效位數(shù)（ENOB）指標(biāo)遙遙領(lǐng)先業(yè)界，可達(dá)8位以上。Infiniium S系列示波器在500MHz 至 8GHz 帶寬范圍內(nèi)提供多種選擇、4通道DSO和16邏輯通道MSO等不同的選擇，以及業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品最深的存儲(chǔ)器：所有通道標(biāo)配50Mpts存儲(chǔ)器，半通道模式下可達(dá)到100 Mpts，選件可達(dá)800Mpts。
S系列示波器配有業(yè)界最全面的各種測(cè)量應(yīng)用軟件，采用的電腦主機(jī)板是8GB RAM 配置，能夠在所有工作模式下保證快速響應(yīng)。固態(tài)硬盤實(shí)現(xiàn)極速啟動(dòng)并增強(qiáng)可靠性。15英寸（38.1 cm）多點(diǎn)觸控電容屏，不僅顯示尺寸為行業(yè)之冠，而且在操作體驗(yàn)方面引領(lǐng)業(yè)界未來(lái)方向。
圖1
=S系列示波器設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)潔，內(nèi)置一塊示波器采集板和一塊工控機(jī)主板，主板的CPU是Intel的i5四核3GHz處理器，8GB內(nèi)存，運(yùn)行嵌入式標(biāo)準(zhǔn)的Windows7 64位操作系統(tǒng)。示波器采集板是關(guān)鍵部件，如圖2所示。采集板使用了20層的PCB，并且使用了低損耗的Rogers板材。使用了單芯片40GSa/s ADC（有三種工作模式：?jiǎn)瓮ǖ?0G，雙通道20G，四通道10G）使得芯片成本降低到最?。ǘ鄠€(gè)ADC需要多個(gè)FPGA做內(nèi)存管理和信號(hào)處理，成本相對(duì)較高）。下面分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行解剖。
圖2
如圖3所示的ADC是業(yè)界第一個(gè)40GSa/s、10位的ADC，在自定義的33mm BGA封裝上封裝了2個(gè)芯片，左邊的是130nm的BiCMOS buffer IC，右邊的是65nm的CMOS（9mm
圖3
以1GHz帶寬示波器為例，輸入不同測(cè)試正弦波的ENOB圖表如圖4所示（測(cè)試時(shí)，示波器設(shè)置為100mv/div，輸入測(cè)試正弦波幅度為7.2格）
圖4
與市場(chǎng)已經(jīng)有的1GHz高清示波器做比較，有效位結(jié)果如圖5所示（對(duì)比的是LeCroy的HDO6104）。影響有效位的不僅僅是ADC，還有前端放大器，S系列示波器由于設(shè)計(jì)了低噪聲的前端，所以有效位較高。
圖5-1
圖5-2 業(yè)界同類示波器的有效位比較
這顆ADC另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是非線性設(shè)計(jì)的較好，500MHz時(shí)SFDR可以達(dá)到-73dBc，不同頻率的SFDR見(jiàn)圖6所示。
圖6
現(xiàn)在業(yè)內(nèi)最高性能的高速數(shù)采卡是Agilent的M9703A，12位ADC,1.6GSa/s(交叉3.2GSa/s）采樣速率，對(duì)于FRF（1GHz 帶寬選件）的性能指標(biāo)如圖7所示。對(duì)比可見(jiàn)，1GHz以內(nèi)帶寬時(shí)，S系列示波器與其相當(dāng)，但是因?yàn)橛羞^(guò)采樣能力，S系列示波器的動(dòng)態(tài)范圍還要大些。
圖7
2.低噪聲模擬前端
為了發(fā)揮10位ADC的性能，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)低噪聲模擬前端，這個(gè)低噪聲前端帶寬可達(dá)8GHz（對(duì)外連接器也是鍍金的精密PBNC）。支持50ohm和 1Mohm輸入路徑，并且每個(gè)路徑都支持帶寬限制濾波器，以減少不需要的噪聲。在1GHz帶寬時(shí)，只有90uV的噪聲，并且硬件支持2mv/div的垂直 靈敏度。使用電子衰減器減少噪聲和增加可靠性。并且通過(guò)軟件軟件license可進(jìn)行帶寬升級(jí)。放大器，模擬濾波器和帶寬升級(jí)都通過(guò)圖中的大的芯片實(shí)現(xiàn)， 這個(gè)芯片是130nm BiiCMOS集成電路。
評(píng)論