自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的波形數(shù)字化器(08-100)

　　功能完整的數(shù)字電子示波器

　　電子示波器是實(shí)驗(yàn)室、工廠和現(xiàn)場(chǎng)的工程人員廣泛使用的儀器，事實(shí)上電子示波器也是通過(guò)電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器類中，銷量最大和銷售金額最高的產(chǎn)品。在30年代末至40年代初，受電視廣播和雷達(dá)測(cè)距迅速發(fā)展的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，模擬電子示波器基本定型，劃分為垂直放大、橫向掃描、觸發(fā)同步和示波管(CRT)顯示的四大部分。模擬電子示波器的實(shí)時(shí)帶寬在70年代達(dá)到1000MHz的高峰，隨著數(shù)字技術(shù)和集成電路的出現(xiàn)，以真空管和寬帶放大電路為主導(dǎo)的模擬電子示波器，從80年代開(kāi)始逐步由數(shù)字電子示波器所取代。隨著信息技術(shù)和數(shù)字通信市場(chǎng)的爆炸性發(fā)展，在90年代后斯數(shù)字電子示波器的實(shí)時(shí)帶寬已超過(guò)1GHz。進(jìn)入二十一世紀(jì)2010年代，數(shù)字電子示波器亦獲得飛躍，實(shí)時(shí)帶寬超過(guò)10GHz，等效取樣帶寬達(dá)到100GHz。

　　數(shù)字電子示波器的電路構(gòu)成比模擬電子示波器簡(jiǎn)單，主要由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、波形存儲(chǔ)/處理器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和液晶(LCD)波形顯示四大部分。模擬電子示波器從信號(hào)輸入前端至波形顯示后端都需要具有寬帶響應(yīng)，然而數(shù)字電子示波器只需要前端模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有與輸入信號(hào)相同的寬帶響應(yīng)，隨后各種電路的頻率響應(yīng)均相應(yīng)降低。根據(jù)取樣原理可知，在最佳條件下取樣頻率等于2倍輸入模擬信號(hào)最高頻率，ADC輸出數(shù)字信息經(jīng)過(guò)濾波和DAC處理后，即可復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的波形。顯然，DAC的時(shí)鐘頻率可以甚低于ADC的取樣頻率。另外，為了降低信號(hào)濾波和處理帶來(lái)的混淆信號(hào)，數(shù)字電子示波器的ADC實(shí)際使用的取樣頻率是模擬輸入信號(hào)最高頻率的4倍而不是2倍。

　　目前，最高水平的ADC取樣頻率達(dá)到20GHz和分辨率8位。如果使用兩塊取樣頻率20GHz的ADC在時(shí)間軸上疊加，將獲得取樣頻率40GHz的分辨率8位的等效ADC功能。換句話說(shuō)，借助取樣頻率20GHz的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)10GHz的實(shí)現(xiàn)帶寬，但分辨率只有8位。如果允許降低ADC的取樣率，則不難提高ADC的分辨率。例如，取樣率1MHz的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)28位分辨率。實(shí)時(shí)帶寬100MHz以上的數(shù)字電子示波器，完全采用8位分辨率，為了提高分辨率可使多次取樣平均，但是測(cè)量時(shí)間亦相應(yīng)增加。實(shí)時(shí)帶寬100MHz以下的數(shù)字電子示波器，能夠提供8位、10位以及16位以上分辨率的產(chǎn)品。

　　簡(jiǎn)練的波形數(shù)字化器

　　從以上介紹可知，數(shù)字電子示波器屬于性能完備的臺(tái)面儀器，具有很強(qiáng)的可視性、互動(dòng)性、信號(hào)完整性，測(cè)量功能由硬件定義，良好用戶界面，實(shí)時(shí)帶寬最高，適合于電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、評(píng)估、測(cè)量、排錯(cuò)的應(yīng)用。

　　然而，在電子元器件和設(shè)備的產(chǎn)品線中往往需要提高測(cè)量速度，用最短測(cè)量時(shí)間獲取電氣指標(biāo)的全部數(shù)據(jù)，保證產(chǎn)品及時(shí)上市。在這種情況下，波形數(shù)字化器應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)質(zhì)上波形數(shù)字化器是數(shù)字電子示波器的簡(jiǎn)化版。波形數(shù)字化器只保留ADC前端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/運(yùn)算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話說(shuō)，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡(jiǎn)，使波形數(shù)字化器更適合自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　波形數(shù)字化器的電路構(gòu)成

　　波形數(shù)字化器的電路框圖如圖1所示?？梢?jiàn)作為模塊的波形數(shù)字化器著重對(duì)輸入模擬信號(hào)的數(shù)字化，電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)練，前端是ADC芯片，隨后是數(shù)字存儲(chǔ)器和板上數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和波形分析，最后經(jīng)由高速總線傳送到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制器。與數(shù)字電子示波器相比，由于波形數(shù)字化器只保留高速的前端ADC電路，直接利用PC的高速外設(shè)總線傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，例如PCI和PCI Express總線，都比GPIB、VXI、LXI等儀器通用總線具有更高傳輸速度。此外，波形數(shù)字化器的板上數(shù)字信號(hào)處理器及時(shí)對(duì)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作分析、處理，然后交由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的PC作后臺(tái)運(yùn)算。

　　圖1 波形數(shù)字化儀電路框圖