自動測試系統(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電子測試測量儀器類中，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)測距迅速發(fā)展的市場驅(qū)動，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)時帶寬已超過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)時帶寬超過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單，主要由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、波形存儲/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倍輸入模擬信號最高頻率，ADC輸出數(shù)字信息經(jīng)過濾波和DAC處理后，即可復(fù)現(xiàn)輸入信號的波形。顯然，DAC的時鐘頻率可以甚低于ADC的取樣頻率。另外，為了降低信號濾波和處理帶來的混淆信號，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，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，但是測量時間亦相應(yīng)增加。實(shí)時帶寬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面儀器，具有很強(qiáng)的可視性、互動性、信號完整性，測量功能由硬件定義，良好用戶界面，實(shí)時帶寬最高，適合于電子產(chǎn)品的開發(fā)、評估、測量、排錯的應(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量速度，用最短測量時間獲取電氣指標(biāo)的全部數(shù)據(jù)，保證產(chǎn)品及時上市。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)字電子示波器的簡化版。波形數(shù)字化器只保留ADC前端和數(shù)據(jù)存儲/運(yùn)算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話說，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡，使波形數(shù)字化器更適合自動測試系統(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?？梢娮鳛槟K的波形數(shù)字化器著重對輸入模擬信號的數(shù)字化，電路結(jié)構(gòu)非常簡練，前端是ADC芯片，隨后是數(shù)字存儲器和板上數(shù)字信號處理器對信號進(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測試系統(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)字信號處理器及時對模擬/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作后臺運(yùn)算。

　　圖1 波形數(shù)字化儀電路框圖