我們生活在一個(gè)存在巨大技術(shù)斷層的時(shí)代。新興的無線通信應(yīng)用趨向于更寬的帶寬、更高的頻率、更密集的調(diào)制方案、多個(gè)信道，以及有更多的數(shù)據(jù)需要管理。為了測量寬帶信號(hào)，工程師通常需要使用示波器和數(shù)字化儀，這些儀器利用 ADC 技術(shù)進(jìn)行波形采集。在某些情況下，這些儀器可互換使用進(jìn)行波形分析。然而，盡管存在許多相似之處，示波器和數(shù)字化儀終究有些區(qū)別，它們分別針對不同的目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。例如，示波器通常配有大型前面板顯示屏和鍵盤，用于快速呈現(xiàn)隨時(shí)間變化的波形。某些儀器廠商將示波器當(dāng)作數(shù)字化儀推廣，或?qū)?shù)字化儀作為示波器推廣，這可能會(huì)造成困惑。本文針對數(shù)字化儀或示波器的關(guān)鍵特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以供您在選擇下一個(gè)寬帶測量解決方案時(shí)參考。

 

在設(shè)計(jì)寬帶測試解決方案時(shí)，要考慮以下這些關(guān)鍵特性：

 

表 1. 寬帶測量要考慮的關(guān)鍵特性。

 

我們來詳細(xì)解釋幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)：

 

·分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)字化儀和示波器都使用 ADC 來采集波形數(shù)據(jù)。ADC 對輸入電壓進(jìn)行采樣，并得出電壓電平的二進(jìn)制表示。有效位數(shù)（ENOB）能很好地衡量動(dòng)態(tài)范圍。ENOB 是考慮到噪聲和失真的有效位分辨率。它準(zhǔn)確地反映了頻域或時(shí)域測量中出現(xiàn)的寬帶噪聲。

 

ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

 

§SINAD（信號(hào)-噪聲及失真比）衡量的是信號(hào)質(zhì)量。ADC 分辨率會(huì)對它造成影響，但還有其他一些因素也對它有影響。

 

例如：

 

-8 位采集將 10 Vpp 輸入范圍分成 28 份 = 256 級，每級為 39 mV

 

-10 位采集將級數(shù)增加 4 倍，16 位增加 256 倍（10Vpp 輸入范圍分為每級 152 uV）

 

示波器通常在非常大的帶寬上使用 8 位 ADC 進(jìn)行采集。通過在示波器內(nèi)添加不同的濾波技術(shù)可以改善 ENOB。例如，是德科技 InfiniiVision 示波器（配有 8 位 ADC，采樣率達(dá) 2.5 GS/秒）具有高分辨率模式，可以在降低帶寬的前提下實(shí)現(xiàn)更好的分辨率，將 ENOB 提升到 12 位。示波器分辨率適用于呈現(xiàn)非常寬的帶寬上的時(shí)域測量結(jié)果。

 

數(shù)字化儀通常采用 12 位或 14 位 ADC，并可以在縮小的帶寬上獲得更高的分辨率。數(shù)字化儀通常具有更高的 ENOB，或者在更窄帶寬上提供更高分辨率。對于需要進(jìn)行頻譜分析或具有動(dòng)態(tài)信號(hào)（同時(shí)包含大電壓和小電壓分量）的應(yīng)用（如調(diào)制后的波形），較高的 ENOB 有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更低的本底噪聲（或更好的無雜散動(dòng)態(tài)范圍，即 SFDR）。與 8 位示波器可以提供 45 dB SFDR 相比，具有更高分辨率和良好 SFDR 的數(shù)字化儀能在數(shù)據(jù)分析期間捕獲更精細(xì)的細(xì)節(jié)，例如，一臺(tái) 10 位數(shù)字化儀可以提供 57 dB 的 SFDR，而 12 位數(shù)字化儀則能達(dá)到 65 dB。

 

·輸入帶寬和采樣率。選擇具有足夠帶寬的數(shù)字化儀或示波器對于準(zhǔn)確捕獲信號(hào)中最高頻率分量非常重要。奈奎斯特采樣定理表明，對于采樣系統(tǒng)，奈奎斯特頻率 Fn 等于采樣頻率 fs 的 1/2。奈奎斯特頻率以上的信號(hào)能量將與 ADC 采樣率混合，其產(chǎn)物將折返到基帶上感興趣信號(hào)的頂部，導(dǎo)致無法實(shí)施精確采集（也稱為混疊）。輸入帶寬限制濾波器通常用于確保沒有信號(hào)能量高于有效奈奎斯特頻率。

 

圖 1. 輸入帶寬和采樣頻率。

 

 

在示波器中，最大額定采樣率 fs 應(yīng)當(dāng)比實(shí)時(shí)帶寬高 2.5 至 3 倍。這使得波形重建濾波器能夠以很好的分辨率精確再現(xiàn)高速信號(hào)的波形。

 

在數(shù)字化儀中，您可以考慮選擇超過采樣率（fn）一半的帶寬。有時(shí)可以通過欠采樣（undersampling）和特殊輸入濾波來捕獲大于 Fs/2 的頻率。例如，是德科技的 M9203A 和 M9703B 數(shù)字化儀支持 2 GHz 帶寬，ADC 采樣時(shí)鐘速率為 1.6 GS/s，允許使用欠采樣直接進(jìn)行下變頻。

 

在更高分辨率的數(shù)字化儀中，應(yīng)當(dāng)考慮到帶寬增加時(shí)隨之上升的總體噪聲。電路上增加的額外信號(hào)調(diào)理可能會(huì)影響 SFDR。這也是為什么數(shù)字化儀通常通過有限的滿標(biāo)度范圍（SFR）功能來保持交流或直流耦合，以確保獲得最低失真和最大動(dòng)態(tài)范圍（以及最好的 SFDR）。

 

示波器可以提供多種 FSR 和交流/直流耦合選擇。45 dB 的 SFDR 足以同時(shí)呈現(xiàn)大信號(hào)和小信號(hào)。帶寬越大，影響就越小，因?yàn)樵? 8 位分辨率下看不到增加的噪聲。

 

·采集存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)流傳輸。請確保您有足夠的采集存儲(chǔ)器，能在適當(dāng)?shù)挠^察時(shí)間窗口內(nèi)捕獲最復(fù)雜的信號(hào)。這需要根據(jù)應(yīng)用和需要收集的數(shù)據(jù)量來確定。在數(shù)字化儀中，采集存儲(chǔ)器通常以 MSa 或 GSa 為單位，在示波器中則以 Mpts 為單位。它們決定了每個(gè) ADC 板上存儲(chǔ)器的大小。

 

時(shí)間間隔 = 采集存儲(chǔ)器/采樣率

 

某些記錄應(yīng)用需要長時(shí)間采集數(shù)據(jù)，不可能在板上存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，可以使用離線數(shù)據(jù)流傳輸來采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到外部存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行后期處理。許多模塊化數(shù)字化儀是數(shù)據(jù)流傳輸?shù)睦硐胫x，因?yàn)樗鼈冎苯优c高速 PCIe 總線相連。

 

高級觸發(fā)、分段和 DDC 等技術(shù)減少采集所需的板上存儲(chǔ)器。

 

圖 2. 傳統(tǒng)和分段存儲(chǔ)器采集。

 

 

示波器和數(shù)字化儀通常都支持分段存儲(chǔ)器技術(shù)。有了分段存儲(chǔ)器，您可以使用觸發(fā)或選通來選擇性地捕獲波形數(shù)據(jù)，從而減少所需的采集存儲(chǔ)器容量。

 

數(shù)字化儀采用諸如零抑制（zero suppress）等數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，只保留超過給定閾值的相關(guān)信號(hào)。它們還使用數(shù)據(jù)打包和四舍五入來優(yōu)化可用存儲(chǔ)器空間。也使用諸如數(shù)字下變頻（DDC）等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。DDC 直接在 ADC 數(shù)據(jù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的頻率轉(zhuǎn)換和抽取。圖 3 中的框圖顯示了其基本原理。捕獲到復(fù)雜的 IQ 數(shù)據(jù)，可以使中心頻率下變頻到 0 Hz。然后使用濾波和數(shù)據(jù)抽取來去除不需要的頻率分量，縮減所需數(shù)據(jù)的大小。在對寬帶采集中的一小段頻譜進(jìn)行分析時(shí)，DDC 非常有價(jià)值。DDC 不僅可以減少所需的存儲(chǔ)空間，而且可以降低寬帶綜合噪聲，改善整體信噪比（SNR）。

 

圖 3. DDC 操作框圖。

 

 

·波形更新速率。示波器具有較高的板上波形更新速率，能夠查看意外事件和毛刺。一旦發(fā)現(xiàn)隨機(jī)事件，您可以調(diào)整示波器的增強(qiáng)觸發(fā)來捕獲感興趣的事件。

 

圖 4. 示波器具有超過每秒 1,000,000 個(gè)波形的更新速率，讓用戶可以看到意外事件和毛刺。

 

采集之間的靜寂時(shí)間可能需要保持在最短，具體取決于應(yīng)用情況。高速數(shù)字化儀通過技術(shù)手段將靜寂時(shí)間控制到最短，例如同時(shí)采集和讀出（或 SAR 模式）。

 

·觸發(fā)。觸發(fā)支持同步進(jìn)行信號(hào)采集，包括簡單的功能（如何時(shí)開始采集）和更復(fù)雜的觸發(fā)（如碼型觸發(fā)、突發(fā)脈沖觸發(fā)，甚至是特定串行協(xié)議觸發(fā)）。示波器通常支持許多不同類型的觸發(fā)，包括邊沿、脈沖寬度、碼型、上升/下降時(shí)間、第 N 個(gè)邊沿突發(fā)脈沖、矮波（Runt）、建立/保持等。某些示波器（如 InfiniiVision）還支持串行總線的特定串行協(xié)議觸發(fā)，如 CAN、FlexRay、I2C、LIN、MIL-STD1553、URAT 等。

 

數(shù)字化儀通常支持 ATE 類型的觸發(fā)，如邊沿和/或通道電平觸發(fā)，這種觸發(fā)規(guī)定了何時(shí)開始記錄采集。許多數(shù)字化儀支持觸發(fā)前和觸發(fā)后數(shù)據(jù)采集。在 ATE 或更大的嵌入式系統(tǒng)中，請務(wù)必考慮觸發(fā)重新準(zhǔn)備（re-arm）時(shí)間，并確保所有觸發(fā)在所有通道/儀器上同時(shí)發(fā)生。如果使用隨附的觸發(fā)時(shí)間插補(bǔ)器（TTI），數(shù)字化儀觸發(fā)定位可以精確到幾 ps。例如，M9703B 就達(dá)到了 15 ps 的精度。額外的特定觸發(fā)檢測設(shè)計(jì)可用于通過開放的 FPGA 體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

 

·測量和分析。示波器針對易用性和測量速度進(jìn)行了優(yōu)化。它們的硬件中內(nèi)置了各種測量和分析工具。如果是臺(tái)式示波器，用戶可以從臺(tái)式儀器的前面板訪問這些測量和工具，如果是模塊化儀器，用戶可以從軟件前面板訪問。這使得示波器非常適合用于在設(shè)計(jì)或故障診斷期間進(jìn)行的各種常見測試。由于測量在硬件中執(zhí)行，因此可以快速獲取結(jié)果，縮短測試臺(tái)或 ATE 環(huán)境的測量時(shí)間。以下所示為 InfiniiVision 系列示波器中提供的一些算數(shù)運(yùn)算、FFT 和串行協(xié)議分析工具。

 

表 2. 是德科技 PXIe M924xA 示波器提供的板載測量和分析工具。

 

另一方面，數(shù)字化儀依靠計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件來完成大量分析。一些數(shù)字化儀允許訪問板載 FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），因此可以在儀器中添加自定義代碼、濾波器、校正或數(shù)據(jù)壓縮方案。這樣的例子包括向輸出添加算數(shù)運(yùn)算，或隨附查詢表來更改輸出。在某些情況下，您可能需要將自定義 IP 添加到儀器中來執(zhí)行特殊功能。在儀器 FPGA 中添加定制功能可以增加儀器功能、降低成本、縮短開發(fā)時(shí)間，還可以提高測量速度。它也可以用于計(jì)算，所以您只需要處理數(shù)據(jù)輸出即可，減少了要管理的數(shù)據(jù)量。

 

圖 5. 將自定義代碼寫入儀器的 FPGA，可以縮短測量時(shí)間、加快測試或縮減數(shù)據(jù)需求。

 

 

示波器和數(shù)字化儀都可以利用其他特定應(yīng)用軟件和分析工具來處理采集的信號(hào)。常用分析工具包括 MathWorks 或是德科技的 89600 VSA 復(fù)雜調(diào)制分析軟件。

 

·探測和輸入電壓。探測對于獲得所需的信號(hào)至關(guān)重要。此外，如果考慮在更高頻率、更高電壓或更大電流下增加的電容負(fù)載，探測可能會(huì)變得更復(fù)雜。在進(jìn)行較高頻率的測量時(shí)應(yīng)當(dāng)使用有源探頭。示波器通常提供各種探測選件，包括無源探頭、有源的電壓和電流探頭、高電壓探頭、差分探頭和光學(xué)探頭。探頭采用與示波器輸入阻抗相匹配的設(shè)計(jì)。通過選擇正確的探頭，示波器可以支持更高的電壓和電流輸入。

 

數(shù)字化儀通常不包括匹配的探頭解決方案，并且在很多情況下只支持固定的 50 Ω 輸入阻抗，其目的是盡量減少信號(hào)路徑中額外電路的影響。此外，數(shù)字化儀通常嵌入在更大的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)中的信號(hào)連接是固定連接。

 

總結(jié)

示波器和數(shù)字化儀都使用 ADC 進(jìn)行寬帶測量，但它們都針對不同的使用模式和應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

 

示波器針對在非常寬的帶寬測試上的可視性進(jìn)行了優(yōu)化。它們具有非常高的波形更新速率，可用于查看和識(shí)別未知事件或毛刺。高級觸發(fā)支持對特定事件進(jìn)行歸零，以供進(jìn)一步分析或觸發(fā)高速串行總線測試。各種類型的示波器探頭能用于查看設(shè)計(jì)中不同點(diǎn)上的信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理來適應(yīng)高電壓、高電流或高頻率。典型的示波器應(yīng)用包括：

 

·對設(shè)計(jì)執(zhí)行調(diào)試和故障診斷。示波器可以查看信號(hào)細(xì)節(jié)—它具有極高的波形更新速率，能夠顯示波形細(xì)節(jié)（如毛刺和異常），并且能對設(shè)計(jì)中的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測。

 

·捕獲不常見的通信誤碼對于串行協(xié)議解碼至關(guān)重要，具有硬件觸發(fā)和串行協(xié)議解碼功能的示波器可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

 

·表征和驗(yàn)證數(shù)字 I/O 性能以及各種 COTS 技術(shù)（包括 CAN、DDR、DisplayPort、PCIe、NFC 和其他技術(shù)）。

 

寬帶數(shù)字化儀用于對信號(hào)保真度要求很高的應(yīng)用。它們通常具有高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍，以及用于捕獲信號(hào)的深存儲(chǔ)器，以便使用快速多通道 PCIe 總線將信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理。在采集大量數(shù)據(jù)時(shí)偶爾會(huì)使用數(shù)據(jù)流傳輸。ATE 系統(tǒng)和高密度多信道信號(hào)分析應(yīng)用都得益于具有高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）技術(shù)的數(shù)字化儀。典型的數(shù)字化儀應(yīng)用包括：

 

·使用單信道或多信道數(shù)字化儀來監(jiān)測電信號(hào)，以確定事件的物理特性，常用于激勵(lì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化儀可在不同時(shí)間點(diǎn)記錄信號(hào)特征，以便對事件發(fā)生前后的情況進(jìn)行分析。

 

·通過進(jìn)行多次跨信道幅度和相位測量可以校準(zhǔn)多通道天線，然后進(jìn)行比較，以確保信道/組件之間保持最小相位差。多通道數(shù)字化儀用于快速獲取跨信道幅度和相位測量結(jié)果以進(jìn)行比較。

 

·多通道高速數(shù)字化儀用于采集 MIMO 探測信號(hào)。

 

·信號(hào)經(jīng)過采樣后，由板載 FPGA 加以處理，或?qū)?I 和 Q 數(shù)據(jù)發(fā)送到外部存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行后期處理，以便在 5G 毫米波 MIMO 信道探測應(yīng)用中創(chuàng)建有效的信道脈沖響應(yīng)（CIR）數(shù)據(jù)。