【360度看新一代示波器】系列之二： 實(shí)現(xiàn)高精度小信號(hào)測(cè)試，12位示波器“芯“趨勢(shì)

在跟工程師的頻頻接觸中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在工程師面臨著新的挑戰(zhàn)，越來(lái)越多的場(chǎng)景需要準(zhǔn)確測(cè)試高速小信號(hào)，傳統(tǒng)的8bit示波器就顯得尷尬，工程師對(duì)現(xiàn)有示波器測(cè)試結(jié)果有所顧慮。為提高測(cè)試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數(shù)。

對(duì)許多移動(dòng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，低功耗是發(fā)展的趨勢(shì),推動(dòng)降低待機(jī)電壓或電流。更多的電源要求直流輸出更小的波紋以提高電源效率或有各種類(lèi)型的低功耗傳感器應(yīng)用在汽車(chē)電子，自主機(jī)器人或醫(yī)療電子,涉及到很多小電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換,這些都是對(duì)小幅度信號(hào)測(cè)量精度要求較高的例子。

考慮到所有這些測(cè)試場(chǎng)景，全新4系列MSO的核心是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它提供的垂直分辨率是傳統(tǒng)8位ADC的16倍。與一些示波器供應(yīng)商不同，它們的12位垂直分辨率是通過(guò)DSP計(jì)算獲得的，而不是通過(guò)硬件ADC實(shí)現(xiàn)的真正的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換。泰克真正的12位ADC構(gòu)建在泰克Tek049 ASIC上。

4系列MSO的用戶(hù)不僅擁有真正的12位ADC，還可以應(yīng)用一種全新的高分辨率模式，即基于硬件的獨(dú)特的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，根據(jù)所選擇的采樣速率進(jìn)一步提高垂直分辨率。FIR濾波器保持該采樣率的最大帶寬，同時(shí)防止混疊和消除來(lái)自示波器放大器和ADC的噪聲，高于所選采樣率的可用帶寬。高分辨率模式始終提供至少12位垂直分辨率，并在≤125 MS/s 采樣率的情況下擴(kuò)展到16位垂直分辨率。

如何解決小信號(hào)測(cè)試精準(zhǔn)度問(wèn)題？

泰克以新一代示波器4系、5系、6系來(lái)面對(duì)，其硬件均采用12位ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的分辨率，幫助工程師捕獲微小信號(hào)。這要?dú)w功于Tek049芯片，這顆新型ASIC作為泰克未來(lái)示波器的核心，支持高清觸摸屏顯示器、最多8個(gè)FlexChannel輸入、12位垂直分辨率等，為現(xiàn)代工程師設(shè)計(jì)所需的下一代示波器提供動(dòng)力。

Tek049 是泰克最新研制的一種ASIC (專(zhuān)用集成電路)，這是一種高度集成的芯片系統(tǒng)(SOC)混合信號(hào)ASIC，含有4 億個(gè)晶體管和20 億個(gè)連接，構(gòu)成了4 個(gè)內(nèi)部ADCs ( 模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 和集成DSP ( 數(shù)字信號(hào)處理器)。Tek049 采用40 nm RF CMOS 工藝制造，采用1927 針精細(xì)間隙球柵陣列封裝，打造出泰克新一代示波器獨(dú)有的芯片。

圖1 Tek049芯片

新型12 位ADC 是目前世界上速度最快的轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部運(yùn)行速率達(dá)25 GS/s，每通道采樣率要比以前的同類(lèi)示波器高出25%。12 位實(shí)現(xiàn)了4096 種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換電平，分辨率比采用8 位ADC 的示波器高出16 倍。每條ADC通道基于交織連續(xù)接近寄存器(SAR) 結(jié)構(gòu)，每塊Tek049 芯片包括四個(gè)ADCs，實(shí)現(xiàn)了100 GS/s 的總吞吐量。

12bit示波器成為“芯”趨勢(shì)

電源設(shè)計(jì)工程師，面臨著更多微小信號(hào)測(cè)試的場(chǎng)景。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用，很多電源紋波已經(jīng)變得很小，尤其是板級(jí)設(shè)計(jì)電源軌紋波測(cè)試從幾十mV到現(xiàn)在的十幾mV甚至幾個(gè)mV，傳統(tǒng)的8bit示波器已經(jīng)不能滿(mǎn)足測(cè)試需求。

比如開(kāi)關(guān)器件系統(tǒng)調(diào)試中，工程師會(huì)比較關(guān)注開(kāi)關(guān)邊沿的震蕩信號(hào)，這需要示波器在保證垂直方向滿(mǎn)足大量程的情況下，同時(shí)具備足夠的分辨率保證能夠捕捉到窄幅震蕩信號(hào)的細(xì)節(jié)。

圖2 利用8位和12位示波器測(cè)試開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通信號(hào)

圖2顯示的是用不同垂直分辨率的示波器測(cè)試同一個(gè)開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間震蕩波形的對(duì)比。為測(cè)試完整的波形，需要對(duì)示波器設(shè)定選擇一個(gè)較大的量程；同時(shí)工程師需要對(duì)邊沿的震蕩放大以對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行觀測(cè)。圖3和圖4是這兩臺(tái)示波器在同樣設(shè)置條件下(250MSa/s采樣率，10k樣點(diǎn)，2V每格)實(shí)際測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)MDO4000C示波器(8位)測(cè)試結(jié)果，因?yàn)槠浯怪狈直媛实南拗疲糯蠛蟪霈F(xiàn)明顯的量化臺(tái)階，基本無(wú)法進(jìn)行分析；而泰克全新4系列MSO示波器(12位)捕獲的波形，放大后仍能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)震蕩信號(hào)的細(xì)節(jié)。

圖3. MDO4000C示波器（8bit）測(cè)試結(jié)果         圖4. 全新4系列MSO示波器（12bit）測(cè)試結(jié)果

示波器12位ADC已經(jīng)成為測(cè)試行業(yè)的趨勢(shì)，泰克新一代12位示波器大大增加了工程師的測(cè)試信心，也為工程師提供了準(zhǔn)確測(cè)試高速信號(hào)的方法。更多精確測(cè)量方法，請(qǐng)點(diǎn)擊: https://info.tek.com/cn-new-gen-scope-phase2-pages-sub6.html。解決工程師常遇到的10個(gè)問(wèn)題https://buzz.tek.com/cn-built-from-engineers-up