安捷倫S系列示波器硬件設計解剖

Infiniium S系列示波器使用業內帶寬最高采樣率最快的10位模數轉換器（ADC），垂直分辨率是傳統示波器的四倍（因為傳統示波器大都采用8位ADC），信號細節的呈現更加精確。結合低噪聲前端，S 系列示波器的有效位數（ENOB）指標遙遙領先業界，可達8位以上。Infiniium S系列示波器在500MHz 至 8GHz 帶寬范圍內提供多種選擇、4通道DSO和16邏輯通道MSO等不同的選擇，以及業內同類產品最深的存儲器：所有通道標配50Mpts存儲器，半通道模式下可達到100 Mpts，選件可達800Mpts。

S系列示波器配有業界最全面的各種測量應用軟件，采用的電腦主機板是8GB RAM 配置，能夠在所有工作模式下保證快速響應。固態硬盤實現極速啟動并增強可靠性。15英寸（38.1 cm）多點觸控電容屏，不僅顯示尺寸為行業之冠，而且在操作體驗方面引領業界未來方向。

圖1 S系列示波器外形

=S系列示波器設計的比較簡潔，內置一塊示波器采集板和一塊工控機主板，主板的CPU是Intel的i5四核3GHz處理器，8GB內存，運行嵌入式標準的Windows7 64位操作系統。示波器采集板是關鍵部件，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/s ADC（有三種工作模式：單通道40G，雙通道20G，四通道10G）使得芯片成本降低到最小（多個ADC需要多個FPGA做內存管理和信號處理，成本相對較高）。下面分別對各個部分進行解剖。

圖2 S系列示波器采集板

1. 10位40GSa/s ADC

如圖3所示的ADC是業界第一個40GSa/s、10位的ADC，在自定義的33mm BGA封裝上封裝了2個芯片，左邊的是130nm的BiCMOS buffer IC，右邊的是65nm的CMOS（9mmx 14mm)的數據轉換器。這個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，為接下來發布其他新的示波器打下了一個基礎。這個ADC的有效位ENOB可達到8.7位，達到12位的高速數采 卡的性能。

圖3 10位 40GSa/s ADC

以1GHz帶寬示波器為例，輸入不同測試正弦波的ENOB圖表如圖4所示（測試時，示波器設置為100mv/div，輸入測試正弦波幅度為7.2格）

圖41GHz帶寬的有效位

與市場已經有的1GHz高清示波器做比較，有效位結果如圖5所示（對比的是LeCroy的HDO6104）。影響有效位的不僅僅是ADC，還有前端放大器，S系列示波器由于設計了低噪聲的前端，所以有效位較高。

圖5-1 高清示波器的有效位比較

圖5-2 業界同類示波器的有效位比較

這顆ADC另外一個優點是非線性設計的較好，500MHz時SFDR可以達到-73dBc，不同頻率的SFDR見圖6所示。

圖6 S系列示波器的SFDR性能

現在業內最高性能的高速數采卡是Agilent的M9703A，12位ADC,1.6GSa/s(交叉3.2GSa/s）采樣速率，對于FRF（1GHz 帶寬選件）的性能指標如圖7所示。對比可見，1GHz以內帶寬時，S系列示波器與其相當，但是因為有過采樣能力，S系列示波器的動態范圍還要大些。

圖7 M9703A高速數采卡的ADC性能指標

2.低噪聲模擬前端

為了發揮10位ADC的性能，特別設計了一個低噪聲模擬前端，這個低噪聲前端帶寬可達8GHz（對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，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可進行帶寬升級。放大器，模擬濾波器和帶寬升級都通過圖中的大的芯片實現， 這個芯片是130nm BiiCMOS集成電路。