數(shù)字和取樣示波器的關(guān)鍵器件和電路(05-100)

　　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(cè)量?jī)x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?，F(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(cè)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(cè)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?。其?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(cè)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。