浅谈数字示波器和取样示波器的关键器体
电子示波器是最受欢迎的电信号测量工具，目前数字存储示波器的实时带宽超过10GHz，取样数字示波器的等效带宽达到100GHz，在实验室、车间、现场都有各种电子示波器为电信号测量提供数据。根据电子示波器的基本原理可分为模拟和数字两大类。由于模拟示波器在电路结构上比数字示波器复杂，带宽1GHz以上的电子示波器全部是数字示波器就不难理解了。当带宽超过10GHz时，取样数字示波器又具有电路结构最简单的优势，除了取样门要求最高带宽之外，其它都是低速电路，因而较易获得100GHz的等效带宽。
带宽1GHz以上的数字存储示波器和等效带宽10GHz以上的取样示波器，它们的单台售价相当昂贵。针对特定应用往往仅使用到某些频率和功能，此时，根据被测对象构建用户定制的数字存储或取样示波器是可取的方法。本文提供有关的关键器件和电路都是近年的新产品。
图1 取样率2GS/S的ADC芯片的结构框图
图2 双管式半桥式取样头电路
数字示波器的关键器件
数字存储示波器的关键器件——输入前端模/数转变器，通常是测量仪器公司自行设计和专用的高速集成电路，不供市售，例如TeK公司用在TDS5000等系列使用的带宽500MHz以上的ADC，由TeK和IBM共同开发制造，成本很高，只供维修时更换。直到今年Atmel公司推出AT84AS系列高速ADC，才有带宽1GHz，取样率2GS/S，分辨率10位的产品可供使用。现在，电子应用工程师可购买到高速高精度的ADC，构建数据采集系统、数字存储示波器、自动测试系统、直接射频转换器等高频电路。Atmel供应的AT84AS系列，目前有两个型号：AT84AS003和AT84AS004，前者的取样率1.5GS/S，后者的取样率2GS/S，两者完全兼容，AT84AS004的主要特征为：
·最高取样率-2GS/S
·最高分辨率-10位
·模拟输入电压和阻抗-500mv，100Ω（差分）、50Ω（单端）;
·模拟输入带宽-3.3GHz
·1GHz的高频特性—有效位数7.8位，信噪比51dB，无杂波动态范围-55dB，
·调节功能-ADC增益，取样延迟，数据有效输出，超量程指示输出，1：4多工信号输出。
·供电电压—-5V，-2.2V，3.3V，2.5Vp，功率耗散6.5W
·装封—-EBGA317，25×35mm
·工作温度-0℃~90℃（民用级）-20℃~110℃（工业级）
AT84AS004芯片的结构框图如图1所示，从图1可见，输入信号Vin经取样保持电路S/H，送入量化器和逻辑电路，在时钟输入CLR，取样延迟调节SDA、图形发生器有效位PGEB、复位脉冲DRRB作用下实现A/D转换过程。获得的A/D数据输出经解多路复用器DMUX和低压差分缓冲级LVDS放大，形成4路输出端口A、B、C、D，4组输出的10位数字信号供存储器、DSP等作数据处理使用。芯片的调节信号还有内建自测试BIST，异步复位ASYNRST，增益调节GA，二进制和灰度码选择B/GB，休眠状态SLEEP等。
AT84S004芯片是目前市售频率指标最高的ADC。首先是取样率达到2GS/S，模拟输入带宽是3.3GHz。按取样原理可知，ΔF≤Fs/2即实时带宽应小于/等于取样率Fs。该芯片的Fs=2GS/s，求得△F=1GHz，即第一奈奎斯特区处在1GHz以下，第二奈奎斯特区扩展到2GHz。为避免产生波形混淆，数字存储示波器只使用第一奈奎斯特区，但是，双频通信应用时，可进入到第二奈奎斯特区，因为需为更宽的输入带宽。其次，在1GHz下的有效位数是7.8位而不是10位，由于时钟频率提高和电压比较器电平不稳，高频的分辨率会下降，从10位变成7.8位。大部分市售数字存储示波器的分辨率是8位。在高频时会低于7位。还有，芯片提供1：2和1：4的多工数字输出，对于后端数据处理非常有利，可以使用时钟较低的闪存和DSP，降低电路成本。
Atmel公司的AT84AS系列TDC仍在发展中，CMOS芯片的时钟频率可达到5GHz，表明该系列的取样率还有提高的潜力，Atmel今年已连续推出1.5GS/S和2GS/S两种ADC。Maxim公司的MAX108是8位分辨率和1.5GS/S的ADC，同样适用于数字存储示波器。
取样示波器的关键器体
取样示波器的关键器件是取样头，在原理上并非数/模转换过程而是开关过程。如果开关脉冲宽度用τ表示，等效带宽用ΔF表示，则求得ΔF=a1/τ，式中α是与开关脉冲波形有关的常数。例如，当τ=0时，ΔF =∞，亦即，开关脉冲宽度趋于零时，等效带宽趋于无限大。一般假设开关脉冲是钟形函数，此时，作为估算可取ΔF =0.35/τ，当τ=3.5ps，求得ΔF=100 GHz。
取样门电路可用桥式电路，通常采用如图2所示的双管半桥式开关电路。当输入的+LO和-LO驱动脉冲加到反向偏置的快速开关二极管对，+L0和-L0驱动脉冲分别由2PS微带线短路，产生1PS级的开关脉冲，并且对被测信号RF取样。取样获得的信号样品瞬间电荷保持在Chold电容对上，将取样电荷作处理和在慢速时间上对样品重建，即完成顺序取样的显示过程。由此可见，取样示波器在取样门实现高频高速的开关变换后，后端的信号处理可在低频低速下重建。如果后端采用数字处理，就是取样数字示波器，采用模拟处理，就是（模拟）取样示波器。
取样门的电路元器件不多，测量仪器公司按微波电路制成在陶瓷片上，密封在金属外壳内，输入RF信号和取样脉冲由小型同轴接头连接，与数字存储示波器的ADC芯片相似，取样示波器的高频高速取样头并无市售产品，近年来情况有很大变化，PSPL（皮秒脉冲实验室）公司供应带宽高至100GHz的取样头，使测量工程师构建取样示波器变得容易得多，也促进了取样技术的发展。图2实际上就是PSPL公司的通过式100GHz取样头，取样头具有如下的特性：
·取样孔径-3ps~35ps（在设计时固定）
·孔径抖动—《1ps（RMS），
·RF带宽—达到100GHz，
·RF输入动态范围—2Vp-p，
·RF阻抗—50Ω，可用SMA~1mm同轴接头，
·取样率—》10GS/S
·取样效率—60%
由上述指标可知，该取样头满足10GHz~100GHz等效带宽的测量，办法是调节取样脉冲的宽度，即取样孔径。改变图2中的微带线长度是最常用的方法，PSPL在这里采用更简便和灵活的高速反向阶跃二级管代替微带线，构成非线性短路传输线，达到取样脉冲宽度连续可调和极快速的上升边沿。取样率达到10GS/S同样是过去的取样头未曾具备的指标，传统电路采用雪崩三极管产生阶跃边沿的脉冲，再由阶跃恢复二极管整形获得10PS级的取样脉冲。这种电路的最高工作频率受雪崩三极管要进入饱和区的限制，只能在1MHz以下的重复频率运行。PSPL使用级联非饱和放大器电路将方波脉冲整形，得到高重复频率的阶跃脉冲，取样率从1GS/S提高到10GS/S。因而，PSPL的100GHz取样头既可构建等效带宽〈100的取样示波器，同时相当于取样率10GS/S的实时数字示波器。
图3 取样脉冲整形和放大电路
产生步进时基的几种方法
数字存储示波器的时基取自前端ADC时钟的倍频分频器，亦可采用后端的DAC输出，两种方法都获得时间步进扫描。取样示波器需要采用有顺序延时的取样脉冲，而不是等时的时钟脉冲，数字方法有可程控延时芯片（PDC）或时间/数字转换器（TDC），它们都有市售产品，延时增量可从10PS级至100PS级变化。后者可获得10PS级的步进延时，所谓游标延时发生器实际上是机械式游标卡尺的电学实现，游标卡尺的两块夹片的mm标度相差1/10，根据被测物体在两夹片标度测得的重合点，即可获得0.1mm的读数精度。
按游标卡尺的同样原理，利用两个振荡频率F2和F1的频差F可产生高精度的步进延时，如下式所示：
k=f2/（f2-f1）=f2/Δf 或 k=T1/（T1-T1）=T1/ΔT
式中K是两个周期的重合点，f2（T2）和f1（T1）分别是两个不同频率和相应周期，ΔT是时间差。不难看出，ΔT相当步进延时，K相当取样点数。例如，一块晶体振荡器的f1=8.000，000MHz，另一块晶体振荡器的f2=8.000，156MHz即可求得T=2.4PS，K=52，083取样点。具体电路可用通用逻辑IC构建，f2晶体振荡器经整形电路形成方波，它的上升边沿作为步进延时的参改零点，f1晶体振荡器亦整形为方波，两步频率由运算放大器作差分运算得到差频Δf，根据实际需要再作其它逻辑运算，在室温下晶体振荡器的频率稳定度优于1×10-8，两块晶体振荡器获得的总步进延时为125ns，相当于一次扫描长度。
需要步进延时的市售芯片时，可考虑ADI公司的AD9501数字程控延时发生器，从电路结构来看，它是利用DAC产生精确参考电压与斜波电压作比较，由运算放大器输出全程2.5ns至10礢扫描长度，步进延时最小10PS的可调脉冲，最高触发频率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定时元件，电路结构是可调延时线，可配置成程控延时，脉宽调制和振荡器，步进延时分为0.25，0.5，1.0，2.0，5.0ns共5档。性能最好的MC100195程控延时芯片是安森半导体公司的产品，采用ECL工艺和面阵列封装，电路结构是多级串联门序列，具有高达1GHz的工作频率，最小步进延时20PS，最大扫描长度2.0ns还可多芯片串接，获得更大扫描长度。关于时间数字转换器的市售芯片可选产品不多，法国ESRF公司的AMS111芯片主要用于核电子测量，电路结构是可调延时线，可调步进延时范围130~160PS，动态范围2礢，工作频率80MHz，4通道输入。
最后，步进延时脉冲要整形和放大，然后送到取样头，对被测信号取样。完成开关取样的转换过程。随着RF放大器性能的进步，带宽1GHz，转换率优于6KV/礢的晶体管有多种型号，图3是一种典型的取样脉冲放大电路。