數字和取樣示波器的關鍵器件和電路(05-100)

　　數字示波器的關鍵器件

　　數字存儲示波器的關鍵器件——輸入前端模/數轉變器,通常是測量儀器公司自行設計和專用的高速集成電路,不供市售,例如TeK公司用在TDS5000等系列使用的帶寬500MHz以上的ADC,由TeK和IBM共同開發制造,成本很高,只供維修時更換。直到今年Atmel公司推出AT84AS系列高速ADC,才有帶寬1GHz,取樣率2GS/S,分辨率10位的產品可供使用。現在,電子應用工程師可購買到高速高精度的ADC,構建數據采集系統、數字存儲示波器、自動測試系統、直接射頻轉換器等高頻電路。Atmel供應的AT84AS系列,目前有兩個型號：AT84AS003和AT84AS004,前者的取樣率1.5GS/S,后者的取樣率2GS/S,兩者完全兼容,AT84AS004的主要特征為：

　　·最高取樣率-2GS/S

　　·最高分辨率-10位

　　·模擬輸入電壓和阻抗-500mv,100Ω(差分)、50Ω(單端);

　　·模擬輸入帶寬-3.3GHz

　　·1GHz的高頻特性—有效位數7.8位,信噪比51dB,無雜波動態范圍-55dB,

　　·調節功能-ADC增益,取樣延遲,數據有效輸出,超量程指示輸出,1：4多工信號輸出。

　　·供電電壓—-5V,-2.2V,3.3V,2.5Vp,功率耗散6.5W

　　·裝封—-EBGA317,25×35mm

　　·工作溫度-0℃~90℃(民用級)-20℃~110℃(工業級)

　　AT84AS004芯片的結構框圖如圖1所示,從圖1可見,輸入信號Vin經取樣保持電路S/H,送入量化器和邏輯電路,在時鐘輸入CLR,取樣延遲調節SDA、圖形發生器有效位PGEB、復位脈沖DRRB作用下實現A/D轉換過程。獲得的A/D數據輸出經解多路復用器DMUX和低壓差分緩沖級LVDS放大,形成4路輸出端口A、B、C、D,4組輸出的10位數字信號供存儲器、DSP等作數據處理使用。芯片的調節信號還有內建自測試BIST,異步復位ASYNRST,增益調節GA,二進制和灰度碼選擇B/GB,休眠狀態SLEEP等。

　　AT84S004芯片是目前市售頻率指標最高的ADC。首先是取樣率達到2GS/S,模擬輸入帶寬是3.3GHz。按取樣原理可知,ΔF≤Fs/2即實時帶寬應小于/等于取樣率Fs。該芯片的Fs=2GS/s,求得△F=1GHz,即第一奈奎斯特區處在1GHz以下,第二奈奎斯特區擴展到2GHz。為避免產生波形混淆,數字存儲示波器只使用第一奈奎斯特區,但是,雙頻通信應用時,可進入到第二奈奎斯特區,因為需為更寬的輸入帶寬。其次,在1GHz下的有效位數是7.8位而不是10位,由于時鐘頻率提高和電壓比較器電平不穩,高頻的分辨率會下降,從10位變成7.8位。大部分市售數字存儲示波器的分辨率是8位。在高頻時會低于7位。還有,芯片提供1：2和1：4的多工數字輸出,對于后端數據處理非常有利,可以使用時鐘較低的閃存和DSP,降低電路成本。

　　Atmel公司的AT84AS系列TDC仍在發展中,CMOS芯片的時鐘頻率可達到5GHz,表明該系列的取樣率還有提高的潛力,Atmel今年已連續推出1.5GS/S和2GS/S兩種ADC。Maxim公司的MAX108是8位分辨率和1.5GS/S的ADC,同樣適用于數字存儲示波器。

　　取樣示波器的關鍵器體

　　取樣示波器的關鍵器件是取樣頭,在原理上并非數/模轉換過程而是開關過程。如果開關脈沖寬度用τ表示,等效帶寬用ΔF表示,則求得ΔF=a1/τ,式中α是與開關脈沖波形有關的常數。例如,當τ=0時,ΔF =∞,亦即,開關脈沖寬度趨于零時,等效帶寬趨于無限大。一般假設開關脈沖是鐘形函數,此時,作為估算可取ΔF =0.35/τ,當τ=3.5ps,求得ΔF=100 GHz。

　　取樣門電路可用橋式電路,通常采用如圖2所示的雙管半橋式開關電路。當輸入的+LO和-LO驅動脈沖加到反向偏置的快速開關二極管對,+L0和-L0驅動脈沖分別由2PS微帶線短路,產生1PS級的開關脈沖,并且對被測信號RF取樣。取樣獲得的信號樣品瞬間電荷保持在Chold電容對上,將取樣電荷作處理和在慢速時間上對樣品重建,即完成順序取樣的顯示過程。由此可見,取樣示波器在取樣門實現高頻高速的開關變換后,后端的信號處理可在低頻低速下重建。如果后端采用數字處理,就是取樣數字示波器,采用模擬處理,就是(模擬)取樣示波器。