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數字示波器原理

2013-12-11 來源:微波射頻網 字號:

 以安捷倫的90000A系列數字示波器為例,介紹數字示波器的結構原理。

圖1   數字示波器內部結構圖

圖2   安捷倫90000A系列示波器捕獲板

圖1是數字示波器內部結構圖。示波器內部結構主要包括如下幾個部分:
1)信號調理部分:主要由衰減器和放大器組成;
2)采集和存儲部分:主要由模數轉換器ADC,內存控制器和存儲器組成;
3)觸發部分:主要由觸發電路組成;
4)軟件處理部分:由一臺計算機組成。

信號進入示波器后,先要進行衰減,再進行放大,這是為什么呢?

原來,衰減器是可調衰減器,當衰減比調節的較大時,讓我們能夠測試大幅度的信號,當衰減比調節的較小或0dB衰減時,通過放大器的放大作用,使得我們可以測試小幅度的信號。我們平時調節示波器的垂直靈敏度,實際上就是調節衰減器的衰減比(粗調)。通過信號調理電路使得信號能夠較理想的讓ADC進行模數轉換,反映在示波器屏幕上就是盡量顯示的波形能夠達到屏幕的2/3以上(但是不要超出屏幕)。

放大器一方面是對信號進行放大(微調垂直靈敏度時,也是放大器起作用),另一方面是提供匹配電路去驅動ADC和觸發電路,放大器決定了示波器的模擬帶寬,這是示波器的第一重要指標。

信號經過ADC后,需要先把點存在存儲器里,設置的存儲器存滿了,再把樣點傳遞到計算機,這是為什么呢?

原來,ADC的采樣速率比較高(比如每秒20G樣點),每個樣點用8bits來表示(現代的數字示波器通常ADC都是8位),ADC后面的總線帶寬就達到160Gbps,這是不可能實時把樣點傳遞到計算機的。所以需要采用Block的工作方式,先把點存起來,存滿后再慢慢的把數據傳遞到計算機,而且這個時間一般相對采集時間較長,所以數字示波器的死區時間還是比較大的(一般為95%以上)。那么如何保證示波器捕獲我們感興趣的信號呢?這就要靠觸發,通過觸發來解決采集和傳輸的矛盾。

示波器的第二重要指標有ADC決定,就是實時采樣速率。第三重要指標是存儲深度,由內存控制器和存儲器決定。第四重要指標是觸發能力,由觸發電路決定。

圖2是安捷倫90000A系列示波器的捕獲板(90000A示波器包括2塊捕獲板)。信號通過SMA同軸電纜連接到捕獲板的前端上,前端包括衰減器、放大器和一部分觸發電路,這些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端電路驅動兩顆ADC芯片,每顆ADC芯片的采樣速率是20GSa/s,兩顆采用交叉采集達到40GSa/s的采樣速率。ADC后面是內存控制器IDA,做數據存儲分配和一些運算,如幅度、相位補償,觸發抖動補償等。IDA通過PCI-Express總線與計算機相連。

那么數據傳遞到計算機后,還要做哪些處理呢?圖3是計算機處理結構框圖。

圖3  示波器的計算機數據處理結構圖

采集的數據傳遞到計算機后,先要進行Sin(x)/x正弦內插,或線性內插進行波形的重建,重建后的波形可以進行各種各樣的參數測量、信號運算和分析等。最終的結果或原始的樣點都可以直接顯示到屏幕上。

對選擇和使用示波器來說,帶寬和采樣率是最關鍵的指標,那么該如何量化計算帶寬和采樣速率呢?請參考表1。為什么會有這樣的結論呢?

請參考下一篇:數字示波器的信號保真度探析。

表1.量化選擇示波器的帶寬和采樣速率

作者:安捷倫科技專家 孫燈亮

主題閱讀:數字示波器
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