我們生活在一個存在巨大技術斷層的時代。新興的無線通信應用趨向於更寬的帶寬、更高的頻率、更密集的調製方案、多個信道，以及有更多的數據需要管理。為了測量寬帶信號，工程師通常需要使用示波器和數字化儀
，這些儀器利用 ADC 技ji術shu進jin行xing波bo形xing采cai集ji。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，這zhe些xie儀yi器qi可ke互hu換huan使shi用yong進jin行xing波bo形xing分fen析xi。然ran而er，盡jin管guan存cun在zai許xu多duo相xiang似si之zhi處chu，示shi波bo器qi和he數shu字zi化hua儀yi終zhong究jiu有you些xie區qu別bie，它ta們men分fen別bie針zhen對dui不bu同tong的de目mu標biao應ying用yong進jin行xing了le優you化hua。例li如ru，示shi波bo器qi通tong常chang配pei有you大da型xing前qian麵mian板ban顯xian示shi屏ping和he鍵jian盤pan，用yong於yu快kuai速su呈cheng現xian隨sui時shi間jian變bian化hua的de波bo形xing。某mou些xie儀yi器qi廠chang商shang將jiang示shi波bo器qi當dang作zuo數shu字zi化hua儀yi推tui廣guang
，或huo將jiang數shu字zi化hua儀yi作zuo為wei示shi波bo器qi推tui廣guang，這zhe可ke能neng會hui造zao成cheng困kun惑huo。本ben文wen針zhen對dui數shu字zi化hua儀yi或huo示shi波bo器qi的de關guan鍵jian特te性xing進jin行xing了le詳xiang細xi介jie紹shao
，以yi供gong您nin在zai選xuan擇ze下xia一yi個ge寬kuan帶dai測ce量liang解jie決jue方fang案an時shi參can考kao。

 

在設計寬帶測試解決方案時
，要考慮以下這些關鍵特性：

 

表 1. 寬帶測量要考慮的關鍵特性。

 

我們來詳細解釋幾個關鍵項：

 

·分辨率和動態範圍。數字化儀和示波器都使用 ADC 來采集波形數據。ADC 對輸入電壓進行采樣，並得出電壓電平的二進製表示。有效位數（ENOB）能很好地衡量動態範圍。ENOB 是考慮到噪聲和失真的有效位分辨率。它準確地反映了頻域或時域測量中出現的寬帶噪聲。

 

ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

 

§SINAD（信號-噪聲及失真比）衡量的是信號質量。ADC 分辨率會對它造成影響，但還有其他一些因素也對它有影響。

 

例如：

 

-8 位采集將 10 Vpp 輸入範圍分成 28 份 = 256 級，每級為 39 mV

 

-10 位采集將級數增加 4 倍，16 位增加 256 倍（10Vpp 輸入範圍分為每級 152 uV）

 

示波器通常在非常大的帶寬上使用 8 位 ADC 進行采集。通過在示波器內添加不同的濾波技術可以改善 ENOB。例如，是德科技 InfiniiVision 示波器（配有 8 位 ADC
，采樣率達 2.5 GS/秒）具有高分辨率模式
，可以在降低帶寬的前提下實現更好的分辨率
，將 ENOB 提升到 12 位。示波器分辨率適用於呈現非常寬的帶寬上的時域測量結果。

 

數字化儀通常采用 12 位或 14 位 ADC，並可以在縮小的帶寬上獲得更高的分辨率。數字化儀通常具有更高的 ENOB，或者在更窄帶寬上提供更高分辨率。對於需要進行頻譜分析或具有動態信號（同時包含大電壓和小電壓分量）的應用（如調製後的波形）
，較高的 ENOB 有助於實現更高的分辨率和更低的本底噪聲（或更好的無雜散動態範圍，即 SFDR）。與 8 位示波器可以提供 45 dB SFDR 相比，具有更高分辨率和良好 SFDR 的數字化儀能在數據分析期間捕獲更精細的細節，例如，一台 10 位數字化儀可以提供 57 dB 的 SFDR，而 12 位數字化儀則能達到 65 dB。

 

·輸shu入ru帶dai寬kuan和he采cai樣yang率lv。選xuan擇ze具ju有you足zu夠gou帶dai寬kuan的de數shu字zi化hua儀yi或huo示shi波bo器qi對dui於yu準zhun確que捕bu獲huo信xin號hao中zhong最zui高gao頻pin率lv分fen量liang非fei常chang重zhong要yao。奈nai奎kui斯si特te采cai樣yang定ding理li表biao明ming，對dui於yu采cai樣yang係xi統tong，奈nai奎kui斯si特te頻pin率lv Fn 等於采樣頻率 fs 的 1/2。奈奎斯特頻率以上的信號能量將與 ADC 采樣率混合，其產物將折返到基帶上感興趣信號的頂部
，導致無法實施精確采集（也稱為混疊）。輸入帶寬限製濾波器通常用於確保沒有信號能量高於有效奈奎斯特頻率。

 

圖 1. 輸入帶寬和采樣頻率。

 

 

在示波器中，最大額定采樣率 fs 應當比實時帶寬高 2.5 至 3 倍。這使得波形重建濾波器能夠以很好的分辨率精確再現高速信號的波形。

 

在數字化儀中，您可以考慮選擇超過采樣率（fn）一半的帶寬。有時可以通過欠采樣（undersampling）和特殊輸入濾波來捕獲大於 Fs/2 的頻率。例如，是德科技的 M9203A 和 M9703B 數字化儀支持 2 GHz 帶寬，ADC 采樣時鍾速率為 1.6 GS/s，允許使用欠采樣直接進行下變頻。

 

在更高分辨率的數字化儀中，應當考慮到帶寬增加時隨之上升的總體噪聲。電路上增加的額外信號調理可能會影響 SFDR。這也是為什麼數字化儀通常通過有限的滿標度範圍（SFR）功能來保持交流或直流耦合
，以確保獲得最低失真和最大動態範圍（以及最好的 SFDR）。

 

示波器可以提供多種 FSR 和交流/直流耦合選擇。45 dB 的 SFDR 足以同時呈現大信號和小信號。帶寬越大，影響就越小，因為在  8 位分辨率下看不到增加的噪聲。

 

·caijicunchuqiheshujuliuchuanshu。qingquebaoninyouzugoudecaijicunchuqi，nengzaishidangdeguanchashijianchuangkouneibuhuozuifuzadexinhao。zhexuyaogenjuyingyonghexuyaoshoujideshujulianglaiqueding。zaishuzihuayizhong
，caijicunchuqitongchangyi MSa 或 GSa 為單位，在示波器中則以 Mpts 為單位。它們決定了每個 ADC 板上存儲器的大小。

 

時間間隔 = 采集存儲器/采樣率

 

mouxiejiluyingyongxuyaochangshijiancaijishuju
，bukenengzaibanshangcunchuqizhongcunchushuju。zaizheyangdeqingkuangxia，keyishiyonglixianshujuliuchuanshulaicaijishujubingfasongdaowaibucunchushebeishangjinxinghouqichuli。xuduomokuaihuashuzihuayishishujuliuchuanshudelixiangzhixuan，yinweitamenzhijieyugaosu PCIe 總線相連。

 

高級觸發、分段和 DDC 等技術減少采集所需的板上存儲器。

 

圖 2. 傳統和分段存儲器采集。

 

 

示(shi)波(bo)器(qi)和(he)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)通(tong)常(chang)都(dou)支(zhi)持(chi)分(fen)段(duan)存(cun)儲(chu)器(qi)技(ji)術(shu)。有(you)了(le)分(fen)段(duan)存(cun)儲(chu)器(qi)，您(nin)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)觸(chu)發(fa)或(huo)選(xuan)通(tong)來(lai)選(xuan)擇(ze)性(xing)地(di)捕(bu)獲(huo)波(bo)形(xing)數(shu)據(ju)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)所(suo)需(xu)的(de)采(cai)集(ji)存(cun)儲(chu)器(qi)容(rong)量(liang)。

 

數字化儀采用諸如零抑製（zero suppress）等數據壓縮技術
，隻保留超過給定閾值的相關信號。它們還使用數據打包和四舍五入來優化可用存儲器空間。也使用諸如數字下變頻（DDC）等實時數據壓縮技術。DDC 直接在 ADC 數據上進行數據的頻率轉換和抽取。圖 3 中的框圖顯示了其基本原理。捕獲到複雜的 IQ 數據
，可以使中心頻率下變頻到 0 Hz。然後使用濾波和數據抽取來去除不需要的頻率分量，縮減所需數據的大小。在對寬帶采集中的一小段頻譜進行分析時

，DDC 非常有價值。DDC 不僅可以減少所需的存儲空間
，而且可以降低寬帶綜合噪聲，改善整體信噪比（SNR）。

 

圖 3. DDC 操作框圖。

 

 

·boxinggengxinsulv。shiboqijuyoujiaogaodebanshangboxinggengxinsulv，nenggouzhakanyiwaishijianhemaoci。yidanfaxiansuijishijian，ninkeyitiaozhengshiboqidezengqiangchufalaibuhuoganxingqudeshijian。

 

圖 4. 示波器具有超過每秒 1,000,000 個波形的更新速率
，讓用戶可以看到意外事件和毛刺。

 

采(cai)集(ji)之(zhi)間(jian)的(de)靜(jing)寂(ji)時(shi)間(jian)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)保(bao)持(chi)在(zai)最(zui)短(duan)，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)應(ying)用(yong)情(qing)況(kuang)。高(gao)速(su)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)通(tong)過(guo)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)將(jiang)靜(jing)寂(ji)時(shi)間(jian)控(kong)製(zhi)到(dao)最(zui)短(duan)
，例(li)如(ru)同(tong)時(shi)采(cai)集(ji)和(he)讀(du)出(chu)（或 SAR 模式）。

 

·觸發。觸發支持同步進行信號采集，包括簡單的功能（如何時開始采集）和更複雜的觸發（如碼型觸發、突發脈衝觸發
，甚至是特定串行協議觸發）。示波器通常支持許多不同類型的觸發，包括邊沿、脈衝寬度

、碼型、上升/下降時間
、第 N 個邊沿突發脈衝、矮波（Runt）、建立/保持等。某些示波器（如 InfiniiVision）還支持串行總線的特定串行協議觸發，如 CAN
、FlexRay
、I2C、LIN
、MIL-STD1553、URAT 等。

 

數字化儀通常支持 ATE 類型的觸發，如邊沿和/或通道電平觸發，這種觸發規定了何時開始記錄采集。許多數字化儀支持觸發前和觸發後數據采集。在 ATE 或更大的嵌入式係統中
，請務必考慮觸發重新準備（re-arm）時間，並確保所有觸發在所有通道/儀器上同時發生。如果使用隨附的觸發時間插補器（TTI），數字化儀觸發定位可以精確到幾 ps。例如，M9703B 就達到了 15 ps 的精度。額外的特定觸發檢測設計可用於通過開放的 FPGA 體係結構進行實時檢測。

 

·celianghefenxi。shiboqizhenduiyiyongxingheceliangsudujinxingleyouhua。tamendeyingjianzhongneizhilegezhongcelianghefenxigongju。ruguoshitaishishiboqi
，yonghukeyicongtaishiyiqideqianmianbanfangwenzhexiecelianghegongju
，ruguoshimokuaihuayiqi

，yonghukeyicongruanjianqianmianbanfangwen。zheshideshiboqifeichangshiheyongyuzaishejihuoguzhangzhenduanqijianjinxingdegezhongchangjianceshi。youyuceliangzaiyingjianzhongzhixing，yincikeyikuaisuhuoqujieguo，suoduanceshitaihuo ATE 環境的測量時間。以下所示為 InfiniiVision 係列示波器中提供的一些算數運算、FFT 和串行協議分析工具。

 

表 2. 是德科技 PXIe M924xA 示波器提供的板載測量和分析工具。

 

另一方麵，數字化儀依靠計算機上的應用軟件來完成大量分析。一些數字化儀允許訪問板載 FPGA（現場可編程門陣列），因此可以在儀器中添加自定義代碼、濾波器、校正或數據壓縮方案。這樣的例子包括向輸出添加算數運算，或隨附查詢表來更改輸出。在某些情況下，您可能需要將自定義 IP 添加到儀器中來執行特殊功能。在儀器 FPGA 中添加定製功能可以增加儀器功能、降低成本、縮短開發時間，還可以提高測量速度。它也可以用於計算，所以您隻需要處理數據輸出即可，減少了要管理的數據量。

 

圖 5. 將自定義代碼寫入儀器的 FPGA，可以縮短測量時間、加快測試或縮減數據需求。

 

 

示波器和數字化儀都可以利用其他特定應用軟件和分析工具來處理采集的信號。常用分析工具包括 MathWorks 或是德科技的 89600 VSA 複雜調製分析軟件。

 

·探測和輸入電壓。探測對於獲得所需的信號至關重要。此外

，如果考慮在更高頻率、更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)或(huo)更(geng)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)增(zeng)加(jia)的(de)電(dian)容(rong)負(fu)載(zai)，探(tan)測(ce)可(ke)能(neng)會(hui)變(bian)得(de)更(geng)複(fu)雜(za)。在(zai)進(jin)行(xing)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)的(de)測(ce)量(liang)時(shi)應(ying)當(dang)使(shi)用(yong)有(you)源(yuan)探(tan)頭(tou)。示(shi)波(bo)器(qi)通(tong)常(chang)提(ti)供(gong)各(ge)種(zhong)探(tan)測(ce)選(xuan)件(jian)

，包(bao)括(kuo)無(wu)源(yuan)探(tan)頭(tou)、有源的電壓和電流探頭

、高電壓探頭

、差分探頭和光學探頭。探頭采用與示波器輸入阻抗相匹配的設計。通過選擇正確的探頭，示波器可以支持更高的電壓和電流輸入。

 

數字化儀通常不包括匹配的探頭解決方案，並且在很多情況下隻支持固定的 50 Ω 輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，其(qi)目(mu)的(de)是(shi)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)中(zhong)額(e)外(wai)電(dian)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)。此(ci)外(wai)

，數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)通(tong)常(chang)嵌(qian)入(ru)在(zai)更(geng)大(da)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)信(xin)號(hao)連(lian)接(jie)是(shi)固(gu)定(ding)連(lian)接(jie)。

 

總結

示波器和數字化儀都使用 ADC 進行寬帶測量，但它們都針對不同的使用模式和應用進行了優化。

 

示(shi)波(bo)器(qi)針(zhen)對(dui)在(zai)非(fei)常(chang)寬(kuan)的(de)帶(dai)寬(kuan)測(ce)試(shi)上(shang)的(de)可(ke)視(shi)性(xing)進(jin)行(xing)了(le)優(you)化(hua)。它(ta)們(men)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)波(bo)形(xing)更(geng)新(xin)速(su)率(lv)，可(ke)用(yong)於(yu)查(zha)看(kan)和(he)識(shi)別(bie)未(wei)知(zhi)事(shi)件(jian)或(huo)毛(mao)刺(ci)。高(gao)級(ji)觸(chu)發(fa)支(zhi)持(chi)對(dui)特(te)定(ding)事(shi)件(jian)進(jin)行(xing)歸(gui)零(ling)
，以(yi)供(gong)進(jin)一(yi)步(bu)分(fen)析(xi)或(huo)觸(chu)發(fa)高(gao)速(su)串(chuan)行(xing)總(zong)線(xian)測(ce)試(shi)。各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)探(tan)頭(tou)能(neng)用(yong)於(yu)查(zha)看(kan)設(she)計(ji)中(zhong)不(bu)同(tong)點(dian)上(shang)的(de)信(xin)號(hao)，通(tong)過(guo)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)來(lai)適(shi)應(ying)高(gao)電(dian)壓(ya)、高電流或高頻率。典型的示波器應用包括：

 

·對設計執行調試和故障診斷。示波器可以查看信號細節—它具有極高的波形更新速率，能夠顯示波形細節（如毛刺和異常）
，並且能對設計中的目標區域進行探測。

 

·捕獲不常見的通信誤碼對於串行協議解碼至關重要

，具有硬件觸發和串行協議解碼功能的示波器可以實現這一點。

 

·表征和驗證數字 I/O 性能以及各種 COTS 技術（包括 CAN、DDR

、DisplayPort
、PCIe、NFC 和其他技術）。

 

寬kuan帶dai數shu字zi化hua儀yi用yong於yu對dui信xin號hao保bao真zhen度du要yao求qiu很hen高gao的de應ying用yong。它ta們men通tong常chang具ju有you高gao分fen辨bian率lv和he高gao動dong態tai範fan圍wei，以yi及ji用yong於yu捕bu獲huo信xin號hao的de深shen存cun儲chu器qi
，以yi便bian使shi用yong快kuai速su多duo通tong道dao PCIe 總線將信號發送給計算機進行後期處理。在采集大量數據時偶爾會使用數據流傳輸。ATE 係統和高密度多信道信號分析應用都得益於具有高分辨率模數轉換（ADC）技術的數字化儀。典型的數字化儀應用包括：

 

·使(shi)用(yong)單(dan)信(xin)道(dao)或(huo)多(duo)信(xin)道(dao)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)來(lai)監(jian)測(ce)電(dian)信(xin)號(hao)，以(yi)確(que)定(ding)事(shi)件(jian)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)，常(chang)用(yong)於(yu)激(ji)勵(li)響(xiang)應(ying)實(shi)驗(yan)。數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)可(ke)在(zai)不(bu)同(tong)時(shi)間(jian)點(dian)記(ji)錄(lu)信(xin)號(hao)特(te)征(zheng)

，以(yi)便(bian)對(dui)事(shi)件(jian)發(fa)生(sheng)前(qian)後(hou)的(de)情(qing)況(kuang)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。

 

·通過進行多次跨信道幅度和相位測量可以校準多通道天線，然後進行比較
，以確保信道/組件之間保持最小相位差。多通道數字化儀用於快速獲取跨信道幅度和相位測量結果以進行比較。

 

·多通道高速數字化儀用於采集 MIMO 探測信號。

 

·信號經過采樣後，由板載 FPGA 加以處理
，或將 I 和 Q 數據發送到外部存儲設備進行後期處理
，以便在 5G 毫米波 MIMO 信道探測應用中創建有效的信道脈衝響應（CIR）數據。