數字和取樣示波器的關(guān)鍵器件和電路(05-100)

　　取樣門(mén)的電路元器件不多,測量?jì)x器公司按微波電路制成在陶瓷片上,密封在金屬外殼內,輸入RF信號和取樣脈沖由小型同軸接頭連接,與數字存儲示波器的ADC芯片相似,取樣示波器的高頻高速取樣頭并無(wú)市售產(chǎn)品,近年來(lái)情況有很大變化,PSPL(皮秒脈沖實(shí)驗室)公司供應帶寬高至100GHz的取樣頭,使測量工程師構建取樣示波器變得容易得多,也促進(jìn)了取樣技術(shù)的發(fā)展。圖2實(shí)際上就是PSPL公司的通過(guò)式100GHz取樣頭,取樣頭具有如下的特性：

　　·取樣孔徑-3ps~35ps(在設計時(shí)固定)

　　·孔徑抖動(dòng)—<1ps(RMS),

　　·RF帶寬—達到100GHz,

　　·RF輸入動(dòng)態(tài)范圍—2Vp-p,

　　·RF阻抗—50Ω,可用SMA~1mm同軸接頭,

　　·取樣率—>10GS/S

　　·取樣效率—60%

　　由上述指標可知,該取樣頭滿(mǎn)足10GHz~100GHz等效帶寬的測量,辦法是調節取樣脈沖的寬度,即取樣孔徑。改變圖2中的微帶線(xiàn)長(cháng)度是最常用的方法,PSPL在這里采用更簡(jiǎn)便和靈活的高速反向階躍二級管代替微帶線(xiàn),構成非線(xiàn)性短路傳輸線(xiàn),達到取樣脈沖寬度連續可調和極快速的上升邊沿。取樣率達到10GS/S同樣是過(guò)去的取樣頭未曾具備的指標,傳統電路采用雪崩三極管產(chǎn)生階躍邊沿的脈沖,再由階躍恢復二極管整形獲得10PS級的取樣脈沖。這種電路的最高工作頻率受雪崩三極管要進(jìn)入飽和區的限制,只能在1MHz以下的重復頻率運行。PSPL使用級聯(lián)非飽和放大器電路將方波脈沖整形,得到高重復頻率的階躍脈沖,取樣率從1GS/S提高到10GS/S。因而,PSPL的100GHz取樣頭既可構建等效帶寬〈100的取樣示波器,同時(shí)相當于取樣率10GS/S的實(shí)時(shí)數字示波器。

 

　　圖3 取樣脈沖整形和放大電路

　　產(chǎn)生步進(jìn)時(shí)基的幾種方法

　　數字存儲示波器的時(shí)基取自前端ADC時(shí)鐘的倍頻分頻器,亦可采用后端的DAC輸出,兩種方法都獲得時(shí)間步進(jìn)掃描。取樣示波器需要采用有順序延時(shí)的取樣脈沖,而不是等時(shí)的時(shí)鐘脈沖,數字方法有可程控延時(shí)芯片(PDC)或時(shí)間/數字轉換器(TDC),它們都有市售產(chǎn)品,延時(shí)增量可從10PS級至100PS級變化。后者可獲得10PS級的步進(jìn)延時(shí),所謂游標延時(shí)發(fā)生器實(shí)際上是機械式游標卡尺的電學(xué)實(shí)現,游標卡尺的兩塊夾片的mm標度相差1/10,根據被測物體在兩夾片標度測得的重合點(diǎn),即可獲得0.1mm的讀數精度。

　　按游標卡尺的同樣原理,利用兩個(gè)振蕩頻率F2和F1的頻差F可產(chǎn)生高精度的步進(jìn)延時(shí),如下式所示：

　　k=f2/(f2-f1)=f2/Δf 或 k=T1/(T1-T1)=T1/ΔT

　　式中K是兩個(gè)周期的重合點(diǎn),f2(T2)和f1(T1)分別是兩個(gè)不同頻率和相應周期,ΔT是時(shí)間差。不難看出,ΔT相當步進(jìn)延時(shí),K相當取樣點(diǎn)數。例如,一塊晶體振蕩器的f1=8.000,000MHz,另一塊晶體振蕩器的f2=8.000,156MHz即可求得T=2.4PS,K=52,083取樣點(diǎn).具體電路可用通用邏輯IC構建,f2晶體振蕩器經(jīng)整形電路形成方波,它的上升邊沿作為步進(jìn)延時(shí)的參改零點(diǎn),f1晶體振蕩器亦整形為方波,兩步頻率由運算放大器作差分運算得到差頻Δf,根據實(shí)際需要再作其它邏輯運算,在室溫下晶體振蕩器的頻率穩定度優(yōu)于1×10-8,兩塊晶體振蕩器獲得的總步進(jìn)延時(shí)為125ns,相當于一次掃描長(cháng)度。

　　需要步進(jìn)延時(shí)的市售芯片時(shí),可考慮ADI公司的AD9501數字程控延時(shí)發(fā)生器,從電路結構來(lái)看,它是利用DAC產(chǎn)生精確參考電壓與斜波電壓作比較,由運算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長(cháng)度,步進(jìn)延時(shí)最小10PS的可調脈沖,最高觸發(fā)頻率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定時(shí)元件,電路結構是可調延時(shí)線(xiàn),可配置成程控延時(shí),脈寬調制和振蕩器,步進(jìn)延時(shí)分為0.25,0.5,1.0,2.0,5.0ns共5檔。性能最好的MC100195程控延時(shí)芯片是安森半導體公司的產(chǎn)品,采用ECL工藝和面陣列封裝,電路結構是多級串聯(lián)門(mén)序列,具有高達1GHz的工作頻率,最小步進(jìn)延時(shí)20PS,最大掃描長(cháng)度2.0ns還可多芯片串接,獲得更大掃描長(cháng)度。關(guān)于時(shí)間數字轉換器的市售芯片可選產(chǎn)品不多,法國ESRF公司的AMS111芯片主要用于核電子測量,電路結構是可調延時(shí)線(xiàn),可調步進(jìn)延時(shí)范圍130~160PS,動(dòng)態(tài)范圍2礢,工作頻率80MHz,4通道輸入。

　　最后,步進(jìn)延時(shí)脈沖要整形和放大,然后送到取樣頭,對被測信號取樣。完成開(kāi)關(guān)取樣的轉換過(guò)程。隨著(zhù)RF放大器性能的進(jìn)步,帶寬1GHz,轉換率優(yōu)于6KV/礢的晶體管有多種型號,圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。緩沖級是T4ACT14,施密特觸發(fā)器,屬于摩托羅拉公司的FACT邏輯系列芯片,可產(chǎn)生上升、下降邊沿1ns的窄脈沖。末級電流放大器采用ADI公司的AD8009芯片,它在大信號狀態(tài)下具有440MHz帶寬,增益等于2,轉換率5500V/礢,產(chǎn)生在50Ω負載上的上升時(shí)間0.55ns,幅度2V,半高寬度0.6ns的輸出脈沖。圖3的連接方法可獲得單板正向取樣脈沖,改變電路的驅動(dòng)方式不難產(chǎn)生單極負向脈沖或雙向脈沖輸出。與AD8009相似的芯片還有TI公司的OPA695、Maxim公司的MAX4223和Intersil公司的E15367。顯然,限于器件的電氣性能,借助晶體管脈沖放大器不容易獲得半高寬度〈0.5ns的取樣脈沖,亦即等效帶寬不超過(guò)1GHz。如果要求10PS~100PS,的半高寬取樣脈沖,可將脈沖放大器輸出送入取樣頭。

　　結語(yǔ)

　　數字存儲示波器和取樣示波器的關(guān)鍵器件和電路不斷涌現,使得工程技術(shù)人員構建用戶(hù)定制的實(shí)時(shí)帶寬1GHz的數字存儲示波裝置,甚至等效帶寬超過(guò)10GHz的取樣示波設備成為可能。多種關(guān)鍵器件和電路可供使用,亦促進(jìn)PC基顯示儀器更為豐富,近年基于PCI總線(xiàn)和USB總線(xiàn)的數字化儀器、時(shí)域反射計、超寬帶UWB接收機等儀器都充分利用了這些成果?！?李儀)