安捷倫日前推出新一代示波器---S系列示波器，代表著半導(dǎo)體技術(shù)的突破和示波器發(fā)展的新方向。InfiniiumS系列示波器在500MHz---8GHz帶寬范圍內(nèi)為示波器樹立了性能上的新標(biāo)桿。

InfiniiumS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。InfiniiumS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100Mpts，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8GBRAM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（38.1cm）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)界未來方向。

圖1、S系列示波器外形

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Windows764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/sADC（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小（多個(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、S系列示波器采集板

1、10位40GSa/s ADC

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33mmBGA封裝上封裝了2個(gè)芯片，左邊的是130nm的Bi CMOS buffer IC，右邊的是65nm的CMOS（9mmx14mm)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。這個(gè)ADC可工作在單通道40GSa/s，2通道20GSa/s，4通道10GSa/s模式。這意味著這個(gè)ADC不僅僅可以用于S系列示波器，還可以用于更高端的示波器，為接下來發(fā)布其他新的示波器打下了一個(gè)基礎(chǔ)。這個(gè)ADC的有效位ENOB可達(dá)到8.7位，達(dá)到12位的高速數(shù)采卡的性能。

圖3、10位40GSa/sADC

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、1GHz帶寬的有效位

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、高清示波器的有效位比較

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見圖6所示。

圖6、S系列示波器的SFDR性能

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，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^采樣能力，S系列示波器的動(dòng)態(tài)范圍還要大些。

圖7、M9703A高速數(shù)采卡的ADC性能指標(biāo)

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)都通過圖中的大的芯片實(shí)現(xiàn)，這個(gè)芯片是130nmBiiCMOS集成電路。

圖7-1、低噪聲模擬前端部件（側(cè)面）

圖7-2、低噪聲模擬前端部件（正面）

以業(yè)界常見的4GHz帶寬示波器為例，低噪聲對(duì)比如下圖8所示。

圖8、4GHz帶寬示波器的底噪聲對(duì)比

3、校驗(yàn)濾波處理

個(gè)人認(rèn)為圖1中S系列示波器捕獲板圈起來的“新的校驗(yàn)濾波處理FPGA”的位置是錯(cuò)的（這個(gè)圖是來自美國(guó)研發(fā)部門），這個(gè)FPGA應(yīng)該與以前示波器一樣，在ADC后面，執(zhí)行內(nèi)存管理，校驗(yàn)濾波處理，顯示刷新加速處理等功能。現(xiàn)在多了一個(gè)FPGA，應(yīng)該未來有更廣泛的用途，比如：執(zhí)行FFT運(yùn)算，抖動(dòng)測(cè)量運(yùn)算，函數(shù)運(yùn)算，DDC運(yùn)算等（只是猜想）。不論如何，S系列示波器更注重使用硬件FPGA進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。

按照技術(shù)手冊(cè)上給的說明，現(xiàn)在這些數(shù)字信號(hào)處理功能包括：硬件加速顯示處理（在深內(nèi)存時(shí)，加快縮放時(shí)波形更新的速度）；頻響校驗(yàn)濾波處理；示波器內(nèi)部可控的帶寬限制濾波器（從500MHz帶寬到示波器帶寬）；支持1-3通道和2-4通道的差分處理；執(zhí)行去嵌入處理（包括：InfiniiSim,精密探頭，均衡）。

頻響校驗(yàn)濾波是非常重要的，下面做個(gè)簡(jiǎn)要說明。圖9-1中是正常的硬件的頻響，包括幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，硬件設(shè)計(jì)沒法做到理想化。直接使用存硬件對(duì)信號(hào)的影響可由右邊圖看出來，會(huì)導(dǎo)致波形的失真（相位響應(yīng)更易產(chǎn)生這樣的結(jié)果）。

圖9-1、硬件幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)

通過執(zhí)行校驗(yàn)濾波器，使得幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)達(dá)到比較理想化的狀態(tài)，相應(yīng)波形失真較小，比較好的顯示出了原始波形（如9-2的右邊圖所示）。

圖9-2、通過校驗(yàn)濾波處理后的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)

S系列示波器各種型號(hào)校驗(yàn)后的頻響如圖10所示，都達(dá)到了比較好的平坦響應(yīng)的狀態(tài)。

圖10、S系列示波器各個(gè)型號(hào)的頻響

4、精密時(shí)基

S系列示波器使用了新一代的時(shí)基（恒溫晶體振蕩器OCXO），校準(zhǔn)后，這個(gè)晶體振蕩器的精度可達(dá)+-100ppb（partsperbillion,不是million),使得深內(nèi)存時(shí)的高精度測(cè)量得到保證，抖動(dòng)測(cè)量本底的儀器注入抖動(dòng)達(dá)到100fs。

圖11、新一代精密時(shí)基（OCXO）

圖12是業(yè)界同類儀器的時(shí)間精度對(duì)比表，可見S系列示波器的時(shí)基精度達(dá)到了新的數(shù)量級(jí)，而且是標(biāo)配的指標(biāo)。

圖12、業(yè)界同類儀器時(shí)基精度對(duì)比

在這么高的時(shí)基精度下，圖13給出了測(cè)量不同正弦波的抖動(dòng)測(cè)量本底（抖動(dòng)測(cè)量本底與噪聲、信號(hào)斜率和采樣子系統(tǒng)即儀器注入抖動(dòng)相關(guān)，為：sqrt((噪聲/斜率）^2+采樣子系統(tǒng)抖動(dòng)^2)。圖中輸入正弦波的幅度是725mv，儀表設(shè)置為120mv/div，時(shí)基范圍設(shè)置為10us。

圖13、TIEVS頻率（抖動(dòng)測(cè)量本底）

在軟件界面和應(yīng)用這一塊，S系列示波器繼承了Z系列示波器（或離線軟件）的操作軟件人機(jī)接口界面，和以前的從物理層到協(xié)議層的超過30個(gè)應(yīng)用選件，在此不作一一介紹了。

S系列示波器作為新一代示波器的技術(shù)突破點(diǎn)主要是：1）使用10位ADC；2）2倍好的信號(hào)完整性：足夠低的噪聲本底，更高的有效位ENOB和SFDR，更低的儀器注入抖動(dòng)到100fs；3）垂直靈敏度范圍低達(dá)2mv/div；4）標(biāo)配50Mpts/100Mbps存儲(chǔ)深度，最高400Mpts/800Mpts存儲(chǔ)深度；5）2級(jí)硬件觸發(fā)+infiniiScan觸發(fā)；6）標(biāo)配可拆卸SSD，電容觸摸屏，降噪濾波器。

作者：孫燈亮