自動測試系統中的波形數字化器(08-100)

　　功能完整的數字電子示波器

　　電子示波器是實驗室、工廠和現場的工程人員廣泛使用的儀器，事實上電子示波器也是通過電子測試測量儀器類中，銷量最大和銷售金額最高的產品。在30年代末至40年代初，受電視廣播和雷達測距迅速發展的市場驅動，模擬電子示波器基本定型，劃分為垂直放大、橫向掃描、觸發同步和示波管(CRT)顯示的四大部分。模擬電子示波器的實時帶寬在70年代達到1000MHz的高峰，隨著數字技術和集成電路的出現，以真空管和寬帶放大電路為主導的模擬電子示波器，從80年代開始逐步由數字電子示波器所取代。隨著信息技術和數字通信市場的爆炸性發展，在90年代后斯數字電子示波器的實時帶寬已超過1GHz。進入二十一世紀2010年代，數字電子示波器亦獲得飛躍，實時帶寬超過10GHz，等效取樣帶寬達到100GHz。

　　數字電子示波器的電路構成比模擬電子示波器簡單，主要由模擬/數字轉換器(ADC)、波形存儲/處理器、數字/模擬轉換器(DAC)和液晶(LCD)波形顯示四大部分。模擬電子示波器從信號輸入前端至波形顯示后端都需要具有寬帶響應，然而數字電子示波器只需要前端模擬/數字轉換器具有與輸入信號相同的寬帶響應，隨后各種電路的頻率響應均相應降低。根據取樣原理可知，在最佳條件下取樣頻率等于2倍輸入模擬信號最高頻率，ADC輸出數字信息經過濾波和DAC處理后，即可復現輸入信號的波形。顯然，DAC的時鐘頻率可以甚低于ADC的取樣頻率。另外，為了降低信號濾波和處理帶來的混淆信號，數字電子示波器的ADC實際使用的取樣頻率是模擬輸入信號最高頻率的4倍而不是2倍。

　　目前，最高水平的ADC取樣頻率達到20GHz和分辨率8位。如果使用兩塊取樣頻率20GHz的ADC在時間軸上疊加，將獲得取樣頻率40GHz的分辨率8位的等效ADC功能。換句話說，借助取樣頻率20GHz的ADC能夠實現10GHz的實現帶寬，但分辨率只有8位。如果允許降低ADC的取樣率，則不難提高ADC的分辨率。例如，取樣率1MHz的ADC能夠實現28位分辨率。實時帶寬100MHz以上的數字電子示波器，完全采用8位分辨率，為了提高分辨率可使多次取樣平均，但是測量時間亦相應增加。實時帶寬100MHz以下的數字電子示波器，能夠提供8位、10位以及16位以上分辨率的產品。

　　簡練的波形數字化器

　　從以上介紹可知，數字電子示波器屬于性能完備的臺面儀器，具有很強的可視性、互動性、信號完整性，測量功能由硬件定義，良好用戶界面，實時帶寬最高，適合于電子產品的開發、評估、測量、排錯的應用。

　　然而，在電子元器件和設備的產品線中往往需要提高測量速度，用最短測量時間獲取電氣指標的全部數據，保證產品及時上市。在這種情況下，波形數字化器應運而生，實質上波形數字化器是數字電子示波器的簡化版。波形數字化器只保留ADC前端和數據存儲/運算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話說，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡，使波形數字化器更適合自動測試系統的應用。

　　波形數字化器的電路構成

　　波形數字化器的電路框圖如圖1所示?？梢娮鳛槟K的波形數字化器著重對輸入模擬信號的數字化，電路結構非常簡練，前端是ADC芯片，隨后是數字存儲器和板上數字信號處理器對信號進行算術運算和波形分析，最后經由高速總線傳送到自動測試系統的數據采集控制器。與數字電子示波器相比，由于波形數字化器只保留高速的前端ADC電路，直接利用PC的高速外設總線傳輸數字數據，例如PCI和PCI Express總線，都比GPIB、VXI、LXI等儀器通用總線具有更高傳輸速度。此外，波形數字化器的板上數字信號處理器及時對模擬/數字轉換后的數據作分析、處理，然后交由數據采集子系統的PC作后臺運算。

　　圖1 波形數字化儀電路框圖