自動(dòng)測試系統中的波形數字示波化器

電子示波器是實(shí)驗室、工廠(chǎng)和現場(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)電子測試測量?jì)x器類(lèi)中，銷(xiāo)量最大和銷(xiāo)售金額最高的產(chǎn)品。在30年代末至40年代初，受電視廣播和雷達測距迅速發(fā)展的市場(chǎng)驅動(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年代達到1000MHz的高峰，隨著(zhù)數字技術(shù)和集成電路的出現，以真空管和寬帶放大電路為主導的模擬電子示波器，從80年代開(kāi)始逐步由數字電子示波器所取代。隨著(zhù)信息技術(shù)和數字通信市場(chǎng)的爆炸性發(fā)展，在90年代后斯數字電子示波器的實(shí)時(shí)帶寬已超過(guò)1GHz。進(jìn)入二十一世紀2010年代，數字電子示波器亦獲得飛躍，實(shí)時(shí)帶寬超過(guò)10GHz，等效取樣帶寬達到100GHz。

數字電子示波器的電路構成比模擬電子示波器簡(jiǎn)單，主要由模擬/數字轉換器(ADC)、波形存儲/處理器、數字/模擬轉換器(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，然而數字電子示波器只需要前端模擬/數字轉換器具有與輸入信號相同的寬帶響應，隨后各種電路的頻率響應均相應降低。根據取樣原理可知，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輸出數字信息經(jīng)過(guò)濾波和DAC處理后，即可復現輸入信號的波形。顯然，DAC的時(shí)鐘頻率可以甚低于A(yíng)DC的取樣頻率。另外，為了降低信號濾波和處理帶來(lái)的混淆信號，數字電子示波器的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(huà)說(shuō)，借助取樣頻率20GHz的ADC能夠實(shí)現10GHz的實(shí)現帶寬，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能夠實(shí)現28位分辨率。實(shí)時(shí)帶寬100MHz以上的數字電子示波器，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(shí)間亦相應增加。實(shí)時(shí)帶寬100MHz以下的數字電子示波器，能夠提供8位、10位以及16位以上分辨率的產(chǎn)品。

簡(jiǎn)練的波形數字化器

從以上介紹可知，數字電子示波器屬于性能完備的臺面儀器，具有很強的可視性、互動(dòng)性、信號完整性，測量功能由硬件定義，良好用戶(hù)界面，實(shí)時(shí)帶寬最高，適合于電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、評估、測量、排錯的應用。

然而，在電子元器件和設備的產(chǎn)品線(xiàn)中往往需要提高測量速度，用最短測量時(shí)間獲取電氣指標的全部數據，保證產(chǎn)品及時(shí)上市。在這種情況下，波形數字化器應運而生，實(shí)質(zhì)上波形數字化器是數字電子示波器的簡(jiǎn)化版。波形數字化器只保留ADC前端和數據存儲/運算器，省略后端的DAC和LCD顯示。換句話(huà)說(shuō)，保留高速、舍棄低速，刪繁就簡(jiǎn)，使波形數字化器更適合自動(dòng)測試系統的應用。

波形數字化器的電路構成

波形數字化器的電路框圖如圖1所示?？梢?jiàn)作為模塊的波形數字化器著(zhù)重對輸入模擬信號的數字化，電路結構非常簡(jiǎn)練，前端是ADC芯片，隨后是數字存儲器和板上數字信號處理器對信號進(jìn)行算術(shù)運算和波形分析，最后經(jīng)由高速總線(xiàn)傳送到自動(dòng)測試系統的數據采集控制器。與數字電子示波器相比，由于波形數字化器只保留高速的前端ADC電路，直接利用PC的高速外設總線(xiàn)傳輸數字數據，例如PCI和PCI Express總線(xiàn)，都比GPIB、VXI、LXI等儀器通用總線(xiàn)具有更高傳輸速度。此外，波形數字化器的板上數字信號處理器及時(shí)對模擬/數字轉換后的數據作分析、處理，然后交由數據采集子系統的PC作后臺運算。

波形數字化器的數據流程如圖2所示。模擬儀器沒(méi)有物理面板和顯示屏，只有虛擬面板，故波形數字化器各級電路的工作狀態(tài)均經(jīng)過(guò)圖形界面發(fā)出指令，包括前端的輸入信號調理和信號采集方式，輸入信號經(jīng)過(guò)ADC轉換成數據流，即由存儲器暫存和數字信號處理進(jìn)行運算。存儲器對數據流作連續的數字采集和大量波形的儲存，同時(shí)數字信號處理器對波形作數學(xué)運算和參數分析。所得結果通過(guò)高速外設總線(xiàn)送至自動(dòng)測試設備子系統的后臺計算機進(jìn)行測量結果處理。由此可見(jiàn)，波形數字化器是軟件定義的測量?jì)x器，軟件起著(zhù)關(guān)鍵作用，給測量工程技術(shù)人員提供多路信號輸入、大量數據處理、測量時(shí)間短、占用面積小、維護方便、測量成本低的平臺。

測試測量?jì)x器公司和自動(dòng)測試系統公司都有波形數字化器，產(chǎn)品的實(shí)時(shí)帶寬覆蓋低頻至射頻，型號多種多樣。值得注意，波形數字化器供應商如國家儀器公司(NI)，它在自主開(kāi)發(fā)的PXI儀器總線(xiàn)的平臺上配合Lab VIEW圖形編程軟件，構成的數據采信系統在自動(dòng)測試系統和自動(dòng)化測量中占有重要地位。另外一家ZTEC儀器公司是專(zhuān)業(yè)模擬數字化器供應商，它的特點(diǎn) 是既能夠供應PC工業(yè)標準的模擬，還能夠供應測量?jì)x器標準總線(xiàn)的模塊。最高指標的波形數字化器采用取樣率4GS/S、分辨率8位、實(shí)時(shí)帶寬1GHz的ADC芯片。

由于波形數字化器模擬的電路構成并不復雜，市場(chǎng)供應的ADC芯片種類(lèi)很多，特別是信息技術(shù)和移動(dòng)通信產(chǎn)品，都需要處理視頻信號，從而推動(dòng)視ADC芯片的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。著(zhù)名的德州儀器公司(TI)、模塊器件公司(ADI)等有多種ADC系列芯片供應，性?xún)r(jià)比相當高。如果我們在設計自動(dòng)測試系統時(shí)需要專(zhuān)用的波形數字化器模擬。除了采購現成產(chǎn)品以外，亦可考慮自行設計。特別是取樣率200MS/S、分辨率16位、實(shí)時(shí)帶寬100MHz的ADC芯片，由于應用面廣，無(wú)論在無(wú)線(xiàn)通信、數碼相機、移動(dòng)手機、雷達、醫學(xué)圖像、數據采集、測試測量等領(lǐng)域都需要大量產(chǎn)品。以德州儀器公司的ADS548X系列ADC芯片為例，它具有以下特點(diǎn)：

最高取樣率200MS/S，帶寬100MHz

分辨率16位，滿(mǎn)量程的背境噪聲78dB

無(wú)雜散頻率的動(dòng)態(tài)范圍95dBc

片上高阻抗的差分緩沖輸入放大器

高效率的低壓差分信號(LVDS)的數字輸出

供電電壓+5V和+3V，功率耗散70mW

64引腳QFN-64封裝，占位面積99mm

溫度范圍-40至85℃

ADS548X系列ADC芯片的結構框圖如圖3所示，從圖中可見(jiàn)，輸入信號INP、INM經(jīng)過(guò)緩沖輸入級放大后，由16位ADC模/數轉換器的取樣時(shí)鐘作時(shí)分取樣。再經(jīng)數字修正和整形，樣本值送入8組低壓差分放大，由數據線(xiàn)D0、D2和D14輸出至后級存儲器。

ADS548X芯片內還有電源調節電路、基準電壓、定時(shí)控制、工作方式控制等輔助功能塊。作為波形數字化器的前端芯片，ADS548X是集成度和性能較高的ADC并行模/數轉換器，配合后端的緩沖存儲器和數字信號處理器，選擇信號采集系統的接口總線(xiàn)，即可構成完整的波形數字化器模塊。德州儀器公司同時(shí)提供ADS548X芯片的評估實(shí)驗板，作為業(yè)界領(lǐng)先的數字信號處理器供應商，有多種系列DSP芯片可供工程設計人員選擇，或者借助相應DSP開(kāi)發(fā)套件，簡(jiǎn)化模塊的軟件設計流程，實(shí)現波形數字化器的快速設計和評估。