数字示波器原理

2016-01-13 09:37:53来源: eefocus

下面以安捷伦的90000A系列数字示波器为例,介绍数字示波器的原理。

图1.数字示波器内部结构图

图2.安捷伦90000A系列示波器捕获板
图1是数字示波器内部结构图。示波器内部结构主要包括如下几个部分:
1)信号调理部分:主要由衰减器和放大器组成;
2)采集和存储部分:主要由模数转换器ADC,内存控制器和存储器组成;
3)触发部分:主要由触发电路组成;
4)软件处理部分:由一台计算机组成。
信号进入示波器后,先要进行衰减,再进行放大,这是为什么呢?
原来,衰减器是可调衰减器,当衰减比调节的较大时,让我们能够测试大幅度的信号,当衰减比调节的较小或0dB衰减时,通过放大器的放大作用,使得我们可以测试小幅度的信号。我们平时调节示波器的垂直灵敏度,实际上就是调节衰减器的衰减比。通过信号调理电路使得信号能够较理想的让ADC进行模数转换,反映在示波器屏幕上就是尽量显示的波形能够达到屏幕的2/3以上(但是不要超出屏幕)。
放大器一方面是对信号进行放大,另一方面是提供匹配电路去驱动ADC和触发电路,放大器决定了示波器的模拟带宽,这是示波器的第一重要指标。
信号经过ADC后,需要先把点存在存储器里,设置的存储器存满了,再把样点传递到计算机,这是为什么呢?
原来,ADC的采样速率比较高(比如每秒20G样点),每个样点用8bits来表示(现代的数字示波器通常ADC都是8位),ADC后面的总线带宽就达到160Gbps,这是不可能实时把样点传递到计算机的。所以需要采用Block的工作方式,先把点存起来,存满后再慢慢的把数据传递到计算机,而且这个时间一般相对采集时间较长,所以数字示波器的死区时间还是比较大的(一般为95%以上)。那么如何保证示波器捕获我们感兴趣的信号呢?这就要靠触发,通过触发来解决采集和传输的矛盾。
示波器的第二重要指标有ADC决定,就是实时采样速率。第三重要指标是存储深度,由内存控制器和存储器决定。第四重要指标是触发能力,由触发电路决定。
图2是安捷伦90000A系列示波器的捕获板(90000A示波器包括2块捕获板)。信号通过SMA同轴电缆连接到捕获板的前端上,前端包括衰减器、放大器和一部分触发电路,这些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端电路驱动两颗ADC芯片,每颗ADC芯片的采样速率是20GSa/s,两颗采用交叉采集达到40GSa/s的采样速率。ADC后面是内存控制器IDA,做数据存储分配和一些运算,如幅度、相位补偿,触发抖动补偿等。IDA通过PCI-Express总线与计算机相连。
那么数据传递到计算机后,还要做哪些处理呢?图3是计算机处理结构框图

图3.示波器的计算机数据处理结构图
采集的数据传递到计算机后,先要进行Sin(x)/x正弦内插,或线性内插进行波形的重建,重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等。最终的结果或原始的样点都可以直接显示到屏幕上。
对选择和使用示波器来说,带宽和采样率是最关键的指标,那么该如何量化计算带宽和采样速率呢?请参考表1。为什么会有这样的结论呢?
请参考下一篇:数字示波器的信号保真度探析。

表1.量化选择示波器的带宽和采样速率

关键字:数字示波器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_14348.html
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