自動測試系統中的波形數字化器

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。可見作為模塊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。

　　波形數字化器的數據流程如圖2所示。模擬儀器沒有物理面板和顯示屏，只有虛擬面板，故波形數字化器各級電路的工作狀態均經過圖形界面發出指令，包括前端的輸入信號調理和信號采集方式，輸入信號經過ADC轉換成數據流，即由存儲器暫存和數字信號處理進行運算。存儲器對數據流作連續的數字采集和大量波形的儲存，同時數字信號處理器對波形作數學運算和參數分析。所得結果通過高速外設總線送至自動測試設備子系統的后臺計算機進行測量結果處理。由此可見，波形數字化器是軟件定義的測量儀器，軟件起著關鍵作用，給測量工程技術人員提供多路信號輸入、大量數據處理、測量時間短、占用面積小、維護方便、測量成本低的平臺。數字電子示波器與波形數字化器的比較見表1。

　　表1 數字電子示波器與波形數字化器的比較

　　測試測量儀器公司和自動測試系統公司都有波形數字化器，產品的實時帶寬覆蓋低頻至射頻，型號多種多樣。值得注意，波形數字化器供應商如國家儀器公司(NI)，它在自主開發的PXI儀器總線的平臺上配合Lab VIEW圖形編程軟件，構成的數據采信系統在自動測試系統和自動化測量中占有重要地位。另外一家ZTEC儀器公司是專業模擬數字化器供應商，它的特點 是既能夠供應PC工業標準的模擬，還能夠供應測量儀器標準總線的模塊。最高指標的波形數字化器采用取樣率4GS/S、分辨率8位、實時帶寬1GHz的ADC芯片。

　　由于波形數字化器模擬的電路構成并不復雜，市場供應的ADC芯片種類很多，特別是信息技術和移動通信產品，都需要處理視頻信號，從而推動視ADC芯片的開發和生產。著名的德州儀器公司(TI)、模塊器件公司(ADI)等有多種ADC系列芯片供應，性價比相當高。如果我們在設計自動測試系統時需要專用的波形數字化器模擬。除了采購現成產品以外，亦可考慮自行設計。特別是取樣率200MS/S、分辨率16位、實時帶寬100MHz的ADC芯片，由于應用面廣，無論在無線通信、數碼相機、移動手機、雷達、醫學圖像、數據采集、測試測量等領域都需要大量產品。以德州儀器公司的ADS548X系列ADC芯片為例，它具有以下特點：