數(shù)字和取樣示波器的關(guān)鍵器件和電路(05-100)

　　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,屬于摩托羅拉公司的FACT邏輯系列芯片,可產(chǎn)生上升、下降邊沿1ns的窄脈沖。末級(jí)電流放大器采用ADI公司的AD8009芯片,它在大信號(hào)狀態(tài)下具有440MHz帶寬,增益等于2,轉(zhuǎn)換率5500V/礢,產(chǎn)生在50Ω負(fù)載上的上升時(shí)間0.55ns,幅度2V,半高寬度0.6ns的輸出脈沖。圖3的連接方法可獲得單板正向取樣脈沖,改變電路的驅(qū)動(dòng)方式不難產(chǎn)生單極負(fù)向脈沖或雙向脈沖輸出。與AD8009相似的芯片還有TI公司的OPA695、Maxim公司的MAX4223和Intersil公司的E15367。顯然,限于器件的電氣性能,借助晶體管脈沖放大器不容易獲得半高寬度〈0.5ns的取樣脈沖,亦即等效帶寬不超過1GHz。如果要求10PS~100PS,的半高寬取樣脈沖,可將脈沖放大器輸出送入取樣頭。

　　結(jié)語

　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器和取樣示波器的關(guān)鍵器件和電路不斷涌現(xiàn),使得工程技術(shù)人員構(gòu)建用戶定制的實(shí)時(shí)帶寬1GHz的數(shù)字存儲(chǔ)示波裝置,甚至等效帶寬超過10GHz的取樣示波設(shè)備成為可能。多種關(guān)鍵器件和電路可供使用,亦促進(jìn)PC基顯示儀器更為豐富,近年基于PCI總線和USB總線的數(shù)字化儀器、時(shí)域反射計(jì)、超寬帶UWB接收機(jī)等儀器都充分利用了這些成果?！?李儀)