數字示波器原理

下面以安捷倫的90000A系列數字示波器為例，介紹數字示波器的原理。

圖1.數字示波器內部結構圖

圖2.安捷倫90000A系列示波器捕獲板
圖1是數字示波器內部結構圖。示波器內部結構主要包括如下幾個(gè)部分：
1）信號調理部分：主要由衰減器和放大器組成；
2）采集和存儲部分：主要由模數轉換器ADC，內存控制器和存儲器組成；
3）觸發(fā)部分：主要由觸發(fā)電路組成；
4）軟件處理部分：由一臺計算機組成。
信號進(jìn)入示波器后，先要進(jìn)行衰減，再進(jìn)行放大，這是為什么呢？
原來(lái)，衰減器是可調衰減器，當衰減比調節的較大時(shí)，讓我們能夠測試大幅度的信號，當衰減比調節的較小或0dB衰減時(shí)，通過(guò)放大器的放大作用，使得我們可以測試小幅度的信號。我們平時(shí)調節示波器的垂直靈敏度，實(shí)際上就是調節衰減器的衰減比。通過(guò)信號調理電路使得信號能夠較理想的讓ADC進(jìn)行模數轉換，反映在示波器屏幕上就是盡量顯示的波形能夠達到屏幕的2/3以上（但是不要超出屏幕）。
放大器一方面是對信號進(jìn)行放大，另一方面是提供匹配電路去驅動(dòng)ADC和觸發(fā)電路，放大器決定了示波器的模擬帶寬，這是示波器的第一重要指標。
信號經(jīng)過(guò)ADC后，需要先把點(diǎn)存在存儲器里，設置的存儲器存滿(mǎn)了，再把樣點(diǎn)傳遞到計算機，這是為什么呢？
原來(lái)，ADC的采樣速率比較高（比如每秒20G樣點(diǎn)），每個(gè)樣點(diǎn)用8bits來(lái)表示（現代的數字示波器通常ADC都是8位），ADC后面的總線(xiàn)帶寬就達到160Gbps，這是不可能實(shí)時(shí)把樣點(diǎn)傳遞到計算機的。所以需要采用Block的工作方式，先把點(diǎn)存起來(lái)，存滿(mǎn)后再慢慢的把數據傳遞到計算機，而且這個(gè)時(shí)間一般相對采集時(shí)間較長(cháng)，所以數字示波器的死區時(shí)間還是比較大的（一般為95％以上）。那么如何保證示波器捕獲我們感興趣的信號呢？這就要靠觸發(fā),通過(guò)觸發(fā)來(lái)解決采集和傳輸的矛盾。
示波器的第二重要指標有ADC決定，就是實(shí)時(shí)采樣速率。第三重要指標是存儲深度，由內存控制器和存儲器決定。第四重要指標是觸發(fā)能力，由觸發(fā)電路決定。
圖2是安捷倫90000A系列示波器的捕獲板（90000A示波器包括2塊捕獲板）。信號通過(guò)SMA同軸電纜連接到捕獲板的前端上，前端包括衰減器、放大器和一部分觸發(fā)電路，這些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端電路驅動(dòng)兩顆ADC芯片，每顆ADC芯片的采樣速率是20GSa/s,兩顆采用交叉采集達到40GSa/s的采樣速率。ADC后面是內存控制器IDA，做數據存儲分配和一些運算，如幅度、相位補償，觸發(fā)抖動(dòng)補償等。IDA通過(guò)PCI-Express總線(xiàn)與計算機相連。
那么數據傳遞到計算機后，還要做哪些處理呢？圖3是計算機處理結構框圖。

圖3.示波器的計算機數據處理結構圖
采集的數據傳遞到計算機后，先要進(jìn)行Sin(x)/x正弦內插，或線(xiàn)性?xún)炔暹M(jìn)行波形的重建，重建后的波形可以進(jìn)行各種各樣的參數測量、信號運算和分析等。最終的結果或原始的樣點(diǎn)都可以直接顯示到屏幕上。
對選擇和使用示波器來(lái)說(shuō)，帶寬和采樣率是最關(guān)鍵的指標，那么該如何量化計算帶寬和采樣速率呢？請參考表1。為什么會(huì )有這樣的結論呢？
請參考下一篇：數字示波器的信號保真度探析。

表1.量化選擇示波器的帶寬和采樣速率