數(shù)字示波器原理

下面以安捷倫的90000A系列數(shù)字示波器為例，介紹數(shù)字示波器的原理。

圖1.數(shù)字示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2.安捷倫90000A系列示波器捕獲板
圖1是數(shù)字示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括如下幾個(gè)部分：
1）信號(hào)調(diào)理部分：主要由衰減器和放大器組成；
2）采集和存儲(chǔ)部分：主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，內(nèi)存控制器和存儲(chǔ)器組成；
3）觸發(fā)部分：主要由觸發(fā)電路組成；
4）軟件處理部分：由一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。
信號(hào)進(jìn)入示波器后，先要進(jìn)行衰減，再進(jìn)行放大，這是為什么呢？
原來(lái)，衰減器是可調(diào)衰減器，當(dāng)衰減比調(diào)節(jié)的較大時(shí)，讓我們能夠測(cè)試大幅度的信號(hào)，當(dāng)衰減比調(diào)節(jié)的較小或0dB衰減時(shí)，通過(guò)放大器的放大作用，使得我們可以測(cè)試小幅度的信號(hào)。我們平時(shí)調(diào)節(jié)示波器的垂直靈敏度，實(shí)際上就是調(diào)節(jié)衰減器的衰減比。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路使得信號(hào)能夠較理想的讓ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，反映在示波器屏幕上就是盡量顯示的波形能夠達(dá)到屏幕的2/3以上（但是不要超出屏幕）。
放大器一方面是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，另一方面是提供匹配電路去驅(qū)動(dòng)ADC和觸發(fā)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(biāo)。
信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC后，需要先把點(diǎn)存在存儲(chǔ)器里，設(shè)置的存儲(chǔ)器存滿(mǎn)了，再把樣點(diǎn)傳遞到計(jì)算機(jī)，這是為什么呢？
原來(lái)，ADC的采樣速率比較高（比如每秒20G樣點(diǎn)），每個(gè)樣點(diǎn)用8bits來(lái)表示（現(xiàn)代的數(shù)字示波器通常ADC都是8位），ADC后面的總線(xiàn)帶寬就達(dá)到160Gbps，這是不可能實(shí)時(shí)把樣點(diǎn)傳遞到計(jì)算機(jī)的。所以需要采用Block的工作方式，先把點(diǎn)存起來(lái)，存滿(mǎn)后再慢慢的把數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)，而且這個(gè)時(shí)間一般相對(duì)采集時(shí)間較長(zhǎng)，所以數(shù)字示波器的死區(qū)時(shí)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(hào)呢？這就要靠觸發(fā),通過(guò)觸發(fā)來(lái)解決采集和傳輸?shù)拿堋?br />示波器的第二重要指標(biāo)有ADC決定，就是實(shí)時(shí)采樣速率。第三重要指標(biāo)是存儲(chǔ)深度，由內(nèi)存控制器和存儲(chǔ)器決定。第四重要指標(biāo)是觸發(fā)能力，由觸發(fā)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(hào)通過(guò)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(fā)電路，這些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端電路驅(qū)動(dòng)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(dá)到40GSa/s的采樣速率。ADC后面是內(nèi)存控制器IDA，做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配和一些運(yùn)算，如幅度、相位補(bǔ)償，觸發(fā)抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。IDA通過(guò)PCI-Express總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連。
那么數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)后，還要做哪些處理呢？圖3是計(jì)算機(jī)處理結(jié)構(gòu)框圖。

圖3.示波器的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖
采集的數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)后，先要進(jìn)行Sin(x)/x正弦內(nèi)插，或線(xiàn)性?xún)?nèi)插進(jìn)行波形的重建，重建后的波形可以進(jìn)行各種各樣的參數(shù)測(cè)量、信號(hào)運(yùn)算和分析等。最終的結(jié)果或原始的樣點(diǎn)都可以直接顯示到屏幕上。
對(duì)選擇和使用示波器來(lái)說(shuō)，帶寬和采樣率是最關(guān)鍵的指標(biāo)，那么該如何量化計(jì)算帶寬和采樣速率呢？請(qǐng)參考表1。為什么會(huì)有這樣的結(jié)論呢？
請(qǐng)參考下一篇：數(shù)字示波器的信號(hào)保真度探析。

表1.量化選擇示波器的帶寬和采樣速率