數(shù)字和取樣示波器的關鍵器件和電路

　　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(qū)處在1GHz以下,第二奈奎斯特區(qū)擴展到2GHz。為避免產生波形混淆,數(shù)字存儲示波器只使用第一奈奎斯特區(qū),但是,雙頻通信應用時,可進入到第二奈奎斯特區(qū),因為需為更寬的輸入帶寬。其次,在1GHz下的有效位數(shù)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(wěn),高頻的分辨率會下降,從10位變成7.8位。大部分市售數(shù)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(shù)字輸出,對于后端數(shù)據(jù)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(fā)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(xù)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(shù)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(shù)/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(shù)。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(shù),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(xiàn)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(shù)字處理,就是取樣數(shù)字示波器,采用模擬處理,就是(模擬)取樣示波器。

　　取樣門的電路元器件不多,測量儀器公司按微波電路制成在陶瓷片上,密封在金屬外殼內,輸入RF信號和取樣脈沖由小型同軸接頭連接,與數(shù)字存儲示波器的ADC芯片相似,取樣示波器的高頻高速取樣頭并無市售產品,近年來情況有很大變化,PSPL(皮秒脈沖實驗室)公司供應帶寬高至100GHz的取樣頭,使測量工程師構建取樣示波器變得容易得多,也促進了取樣技術的發(fā)展。圖2實際上就是PSPL公司的通過式100GHz取樣頭,取樣頭具有如下的特性：

　　·取樣孔徑-3ps~35ps(在設計時固定)

　　·孔徑抖動—<1ps(RMS),

　　·RF帶寬—達到100GHz,

　　·RF輸入動態(tài)范圍—2Vp-p,

　　·RF阻抗—50Ω,可用SMA~1mm同軸接頭,

　　·取樣率—>10GS/S

　　·取樣效率—60%

　　由上述指標可知,該取樣頭滿足10GHz~100GHz等效帶寬的測量,辦法是調節(jié)取樣脈沖的寬度,即取樣孔徑。改變圖2中的微帶線長度是最常用的方法,PSPL在這里采用更簡便和靈活的高速反向階躍二級管代替微帶線,構成非線性短路傳輸線,達到取樣脈沖寬度連續(xù)可調和極快速的上升邊沿。取樣率達到10GS/S同樣是過去的取樣頭未曾具備的指標,傳統(tǒng)電路采用雪崩三極管產生階躍邊沿的脈沖,再由階躍恢復二極管整形獲得10PS級的取樣脈沖。這種電路的最高工作頻率受雪崩三極管要進入飽和區(qū)的限制,只能在1MHz以下的重復頻率運行。PSPL使用級聯(lián)非飽和放大器電路將方波脈沖整形,得到高重復頻率的階躍脈沖,取樣率從1GS/S提高到10GS/S。因而,PSPL的100GHz取樣頭既可構建等效帶寬〈100的取樣示波器,同時相當于取樣率10GS/S的實時數(shù)字示波器。

　　圖3 取樣脈沖整形和放大電路

　　產生步進時基的幾種方法

　　數(shù)字存儲示波器的時基取自前端ADC時鐘的倍頻分頻器,亦可采用后端的DAC輸出,兩種方法都獲得時間步進掃描。取樣示波器需要采用有順序延時的取樣脈沖,而不是等時的時鐘脈沖,數(shù)字方法有可程控延時芯片(PDC)或時間/數(shù)字轉換器(TDC),它們都有市售產品,延時增量可從10PS級至100PS級變化。后者可獲得10PS級的步進延時,所謂游標延時發(fā)生器實際上是機械式游標卡尺的電學實現(xiàn),游標卡尺的兩塊夾片的mm標度相差1/10,根據(jù)被測物體在兩夾片標度測得的重合點,即可獲得0.1mm的讀數(shù)精度。

　　按游標卡尺的同樣原理,利用兩個振蕩頻率F2和F1的頻差F可產生高精度的步進延時,如下式所示：

　　k=f2/(f2-f1)=f2/Δf 或 k=T1/(T1-T1)=T1/ΔT

　　式中K是兩個周期的重合點,f2(T2)和f1(T1)分別是兩個不同頻率和相應周期,ΔT是時間差。不難看出,ΔT相當步進延時,K相當取樣點數(shù)。例如,一塊晶體振蕩器的f1=8.000,000MHz,另一塊晶體振蕩器的f2=8.000,156MHz即可求得T=2.4PS,K=52,083取樣點.具體電路可用通用邏輯IC構建,f2晶體振蕩器經整形電路形成方波,它的上升邊沿作為步進延時的參改零點,f1晶體振蕩器亦整形為方波,兩步頻率由運算放大器作差分運算得到差頻Δf,根據(jù)實際需要再作其它邏輯運算,在室溫下晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-8,兩塊晶體振蕩器獲得的總步進延時為125ns,相當于一次掃描長度。

　　需要步進延時的市售芯片時,可考慮ADI公司的AD9501數(shù)字程控延時發(fā)生器,從電路結構來看,它是利用DAC產生精確參考電壓與斜波電壓作比較,由運算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長度,步進延時最小10PS的可調脈沖,最高觸發(fā)頻率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定時元件,電路結構是可調延時線,可配置成程控延時,脈寬調制和振蕩器,步進延時分為0.25,0.5,1.0,2.0,5.0ns共5檔。性能最好的MC100195程控延時芯片是安森半導體公司的產品,采用ECL工藝和面陣列封裝,電路結構是多級串聯(lián)門序列,具有高達1GHz的工作頻率,最小步進延時20PS,最大掃描長度2.0ns還可多芯片串接,獲得更大掃描長度。關于時間數(shù)字轉換器的市售芯片可選產品不多,法國ESRF公司的AMS111芯片主要用于核電子測量,電路結構是可調延時線,可調步進延時范圍130~160PS,動態(tài)范圍2礢,工作頻率80MHz,4通道輸入。

　　最后,步進延時脈沖要整形和放大,然后送到取樣頭,對被測信號取樣。完成開關取樣的轉換過程。隨著RF放大器性能的進步,帶寬1GHz,轉換率優(yōu)于6KV/礢的晶體管有多種型號,圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。緩沖級是T4ACT14,施密特觸發(fā)器,屬于摩托羅拉公司的FACT邏輯系列芯片,可產生上升、下降邊沿1ns的窄脈沖。末級電流放大器采用ADI公司的AD8009芯片,它在大信號狀態(tài)下具有440MHz帶寬,增益等于2,轉換率5500V/礢,產生在50Ω負載上的上升時間0.55ns,幅度2V,半高寬度0.6ns的輸出脈沖。圖3的連接方法可獲得單板正向取樣脈沖,改變電路的驅動方式不難產生單極負向脈沖或雙向脈沖輸出。與AD8009相似的芯片還有TI公司的OPA695、Maxim公司的MAX4223和Intersil公司的E15367。顯然,限于器件的電氣性能,借助晶體管脈沖放大器不容易獲得半高寬度〈0.5ns的取樣脈沖,亦即等效帶寬不超過1GHz。如果要求10PS~100PS,的半高寬取樣脈沖,可將脈沖放大器輸出送入取樣頭。

　　結語

　　數(shù)字存儲示波器和取樣示波器的關鍵器件和電路不斷涌現(xiàn),使得工程技術人員構建用戶定制的實時帶寬1GHz的數(shù)字存儲示波裝置,甚至等效帶寬超過10GHz的取樣示波設備成為可能。多種關鍵器件和電路可供使用,亦促進PC基顯示儀器更為豐富,近年基于PCI總線和USB總線的數(shù)字化儀器、時域反射計、超寬帶UWB接收機等儀器都充分利用了這些成果。