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是德科技用于寬帶測(cè)量的數(shù)字化儀或示波器——關(guān)注的理由？

本文作者：Sheri DeTomasi 和 Je 點(diǎn)擊： 2017-07-31 15:32

前言：

作者：Sheri DeTomasi 和 Jean-Luc Lehmann，是德科技公司

我們生活在一個(gè)存在巨大技術(shù)斷層的時(shí)代。新興的無線通信應(yīng)用趨向于更寬的帶寬、更高的頻率、更密集的調(diào)制方案、多個(gè)信道，以及有更多的數(shù)據(jù)需要管理。為了測(cè)量寬帶信號(hào)，工程師通常需要使用示波器和數(shù)字化儀，這些儀器利用 ADC 技術(shù)進(jìn)行波形采集。在某些情況下，這些儀器可互換使用進(jìn)行波形分析。然而，盡管存在許多相似之處，示波器和數(shù)字化儀終究有些區(qū)別，它們分別針對(duì)不同的目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。例如，示波器通常配有大型前面板顯示屏和鍵盤，用于快速呈現(xiàn)隨時(shí)間變化的波形。某些儀器廠商將示波器當(dāng)作數(shù)字化儀推廣，或?qū)?shù)字化儀作為示波器推廣，這可能會(huì)造成困惑。本文針對(duì)數(shù)字化儀或示波器的關(guān)鍵特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以供您在選擇下一個(gè)寬帶測(cè)量解決方案時(shí)參考。

在設(shè)計(jì)寬帶測(cè)試解決方案時(shí)，要考慮以下這些關(guān)鍵特性：

表 1. 寬帶測(cè)量要考慮的關(guān)鍵特性。


關(guān)鍵特性
分辨率和動(dòng)態(tài)范圍	通道間同步	測(cè)量和分析
采樣率和瞬時(shí)帶寬	波形更新速率	FPGA 訪問
采集存儲(chǔ)器（記錄時(shí)間）	數(shù)據(jù)流傳輸	算數(shù)運(yùn)算功能
通道數(shù)量	觸發(fā)	探測(cè)

我們來詳細(xì)解釋幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)：

• 分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)字化儀和示波器都使用 ADC 來采集波形數(shù)據(jù)。ADC 對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，并得出電壓電平的二進(jìn)制表示。有效位數(shù)（ENOB）能很好地衡量動(dòng)態(tài)范圍。ENOB 是考慮到噪聲和失真的有效位分辨率。它準(zhǔn)確地反映了頻域或時(shí)域測(cè)量中出現(xiàn)的寬帶噪聲。

ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02
? SINAD（信號(hào)-噪聲及失真比）衡量的是信號(hào)質(zhì)量。ADC 分辨率會(huì)對(duì)它造成影響，但還有其他一些因素也對(duì)它有影響。

例如：
- 8 位采集將 10 Vpp 輸入范圍分成 28 份 = 256 級(jí)，每級(jí)為 39 mV
- 10 位采集將級(jí)數(shù)增加 4 倍，16 位增加 256 倍（10Vpp 輸入范圍分為每級(jí) 152 uV）

示波器通常在非常大的帶寬上使用 8 位 ADC 進(jìn)行采集。通過在示波器內(nèi)添加不同的濾波技術(shù)可以改善 ENOB。例如，是德科技 InfiniiVision 示波器（配有 8 位 ADC，采樣率達(dá) 2.5 GS/秒）具有高分辨率模式，可以在降低帶寬的前提下實(shí)現(xiàn)更好的分辨率，將 ENOB 提升到 12 位。示波器分辨率適用于呈現(xiàn)非常寬的帶寬上的時(shí)域測(cè)量結(jié)果。

數(shù)字化儀通常采用 12 位或 14 位 ADC，并可以在縮小的帶寬上獲得更高的分辨率。數(shù)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(duì)于需要進(jìn)行頻譜分析或具有動(dòng)態(tài)信號(hào)（同時(shí)包含大電壓和小電壓分量）的應(yīng)用（如調(diào)制后的波形），較高的 ENOB 有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更低的本底噪聲（或更好的無雜散動(dòng)態(tài)范圍，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(shù)字化儀能在數(shù)據(jù)分析期間捕獲更精細(xì)的細(xì)節(jié)，例如，一臺(tái) 10 位數(shù)字化儀可以提供 57 dB 的 SFDR，而 12 位數(shù)字化儀則能達(dá)到 65 dB。

• 輸入帶寬和采樣率。選擇具有足夠帶寬的數(shù)字化儀或示波器對(duì)于準(zhǔn)確捕獲信號(hào)中最高頻率分量非常重要。奈奎斯特采樣定理表明，對(duì)于采樣系統(tǒng)，奈奎斯特頻率 Fn 等于采樣頻率 fs 的 1/2。奈奎斯特頻率以上的信號(hào)能量將與 ADC 采樣率混合，其產(chǎn)物將折返到基帶上感興趣信號(hào)的頂部，導(dǎo)致無法實(shí)施精確采集（也稱為混疊）。輸入帶寬限制濾波器通常用于確保沒有信號(hào)能量高于有效奈奎斯特頻率。

圖 1. 輸入帶寬和采樣頻率。

Amplitude

Frequency

1^st Nyquist zone

2^nd Nyquist zone

3^rd Nyquist zone

4^rd Nyquist zone

Baseband Signal

Aliased Signal

Sampling Frequency

Signal to acquire

Signal IBW (Instantaneous Bandwidth)

Digitizer Front-end bandwidth 2 GHz (@2V FSR)

CB_DDC (LO)

Sampling

振幅

頻率

第一奈奎斯特區(qū)域

第二奈奎斯特區(qū)域

第三奈奎斯特區(qū)域

第四奈奎斯特區(qū)域

基帶信號(hào)

混疊信號(hào)

采樣頻率

要采集的信號(hào)

信號(hào) IBW（瞬時(shí)帶寬）

數(shù)字化儀前端帶寬 2 GHz (@2V FSR)

CB_DDC (本振)

采樣

在示波器中，最大額定采樣率 fs 應(yīng)當(dāng)比實(shí)時(shí)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(xiàn)高速信號(hào)的波形。

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

在更高分辨率的數(shù)字化儀中，應(yīng)當(dāng)考慮到帶寬增加時(shí)隨之上升的總體噪聲。電路上增加的額外信號(hào)調(diào)理可能會(huì)影響 SFDR。這也是為什么數(shù)字化儀通常通過有限的滿標(biāo)度范圍（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(dòng)態(tài)范圍（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(shí)呈現(xiàn)大信號(hào)和小信號(hào)。帶寬越大，影響就越小，因?yàn)樵?nbsp; 8 位分辨率下看不到增加的噪聲。

• 采集存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)流傳輸。請(qǐng)確保您有足夠的采集存儲(chǔ)器，能在適當(dāng)?shù)挠^察時(shí)間窗口內(nèi)捕獲最復(fù)雜的信號(hào)。這需要根據(jù)應(yīng)用和需要收集的數(shù)據(jù)量來確定。在數(shù)字化儀中，采集存儲(chǔ)器通常以 MSa 或 GSa 為單位，在示波器中則以 Mpts 為單位。它們決定了每個(gè) ADC 板上存儲(chǔ)器的大小。

時(shí)間間隔 = 采集存儲(chǔ)器/采樣率
某些記錄應(yīng)用需要長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)，不可能在板上存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，可以使用離線數(shù)據(jù)流傳輸來采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到外部存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行后期處理。許多模塊化數(shù)字化儀是數(shù)據(jù)流傳輸?shù)睦硐胫x，因?yàn)樗鼈冎苯优c高速 PCIe 總線相連。

高級(jí)觸發(fā)、分段和 DDC 等技術(shù)減少采集所需的板上存儲(chǔ)器。

圖 2. 傳統(tǒng)和分段存儲(chǔ)器采集。

Traditional Single-Shot Acquisition

Acquisition time = memory depth/sample rate

Segmented Memory Acquisition

Selectively captures more waveform data using the amount of acquisition memory

傳統(tǒng)的單次采集

采集時(shí)間 = 存儲(chǔ)器深度/采樣率

分段存儲(chǔ)器采集

使用采集存儲(chǔ)器容量選擇性地捕獲更多波形數(shù)據(jù)

示波器和數(shù)字化儀通常都支持分段存儲(chǔ)器技術(shù)。有了分段存儲(chǔ)器，您可以使用觸發(fā)或選通來選擇性地捕獲波形數(shù)據(jù)，從而減少所需的采集存儲(chǔ)器容量。

數(shù)字化儀采用諸如零抑制（zero suppress）等數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，只保留超過給定閾值的相關(guān)信號(hào)。它們還使用數(shù)據(jù)打包和四舍五入來優(yōu)化可用存儲(chǔ)器空間。也使用諸如數(shù)字下變頻（DDC）等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。DDC 直接在 ADC 數(shù)據(jù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的頻率轉(zhuǎn)換和抽取。圖 3 中的框圖顯示了其基本原理。捕獲到復(fù)雜的 IQ 數(shù)據(jù)，可以使中心頻率下變頻到 0 Hz。然后使用濾波和數(shù)據(jù)抽取來去除不需要的頻率分量，縮減所需數(shù)據(jù)的大小。在對(duì)寬帶采集中的一小段頻譜進(jìn)行分析時(shí)，DDC 非常有價(jià)值。DDC 不僅可以減少所需的存儲(chǔ)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。

ADC

Tune

0 deg

90 deg

Zoom

LPF

Real

Imag

Memory

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

調(diào)諧

0 度

90 度

放大

低通濾波器 (LPF)

實(shí)部

虛部

存儲(chǔ)器

• 波形更新速率。示波器具有較高的板上波形更新速率，能夠查看意外事件和毛刺。一旦發(fā)現(xiàn)隨機(jī)事件，您可以調(diào)整示波器的增強(qiáng)觸發(fā)來捕獲感興趣的事件。

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

采集之間的靜寂時(shí)間可能需要保持在最短，具體取決于應(yīng)用情況。高速數(shù)字化儀通過技術(shù)手段將靜寂時(shí)間控制到最短，例如同時(shí)采集和讀出（或 SAR 模式）。

• 觸發(fā)。觸發(fā)支持同步進(jìn)行信號(hào)采集，包括簡(jiǎn)單的功能（如何時(shí)開始采集）和更復(fù)雜的觸發(fā)（如碼型觸發(fā)、突發(fā)脈沖觸發(fā)，甚至是特定串行協(xié)議觸發(fā)）。示波器通常支持許多不同類型的觸發(fā)，包括邊沿、脈沖寬度、碼型、上升/下降時(shí)間、第 N 個(gè)邊沿突發(fā)脈沖、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(xié)議觸發(fā)，如 CAN、FlexRay、I2C、LIN、MIL-STD1553、URAT 等。

數(shù)字化儀通常支持 ATE 類型的觸發(fā)，如邊沿和/或通道電平觸發(fā)，這種觸發(fā)規(guī)定了何時(shí)開始記錄采集。許多數(shù)字化儀支持觸發(fā)前和觸發(fā)后數(shù)據(jù)采集。在 ATE 或更大的嵌入式系統(tǒng)中，請(qǐng)務(wù)必考慮觸發(fā)重新準(zhǔn)備（re-arm）時(shí)間，并確保所有觸發(fā)在所有通道/儀器上同時(shí)發(fā)生。如果使用隨附的觸發(fā)時(shí)間插補(bǔ)器（TTI），數(shù)字化儀觸發(fā)定位可以精確到幾 ps。例如，M9703B 就達(dá)到了 15 ps 的精度。額外的特定觸發(fā)檢測(cè)設(shè)計(jì)可用于通過開放的 FPGA 體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

• 測(cè)量和分析。示波器針對(duì)易用性和測(cè)量速度進(jìn)行了優(yōu)化。它們的硬件中內(nèi)置了各種測(cè)量和分析工具。如果是臺(tái)式示波器，用戶可以從臺(tái)式儀器的前面板訪問這些測(cè)量和工具，如果是模塊化儀器，用戶可以從軟件前面板訪問。這使得示波器非常適合用于在設(shè)計(jì)或故障診斷期間進(jìn)行的各種常見測(cè)試。由于測(cè)量在硬件中執(zhí)行，因此可以快速獲取結(jié)果，縮短測(cè)試臺(tái)或 ATE 環(huán)境的測(cè)量時(shí)間。以下所示為 InfiniiVision 系列示波器中提供的一些算數(shù)運(yùn)算、FFT 和串行協(xié)議分析工具。

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

算數(shù)運(yùn)算

串行分析¹

其他內(nèi)置功能

- 加，減

- 乘，除

- 微分，積分

- 增強(qiáng)型 FFT 及加窗

– Ax + B

- 平方，平方根

- 絕對(duì)值

- 常用對(duì)數(shù)

- 自然對(duì)數(shù)

- 指數(shù)

- 以 10 為底的指數(shù)

- 低通濾波器

- 高通濾波器

- 平均值

- 平滑、包絡(luò)

- 放大

- 最大值和最小值保持

- 測(cè)量趨勢(shì)

- 邏輯總線圖表

– I²C

– RS232/422/485/UART

– CAN

– LIN

– MIL-STD1553

– ARINC429

– SENT

– CXPI

– NFC

- FFT（快速傅立葉變換、幅度、相位）

- 占用帶寬

– ACPR（鄰近信道功率）

– THD（總諧波失真比）

- 3 位 DVM （數(shù)字電壓表）

- 8 位計(jì)數(shù)器

* 頻率

* 周期

* 累加器

– 20MHz波形發(fā)生器

* 正弦波方波、斜波

* 脈沖、sinc

* 指數(shù)上升/下降 + 其他

* AM/FM/FSK

另一方面，數(shù)字化儀依靠計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件來完成大量分析。一些數(shù)字化儀允許訪問板載 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)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(shù)據(jù)壓縮方案。這樣的例子包括向輸出添加算數(shù)運(yùn)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(zhí)行特殊功能。在儀器 FPGA 中添加定制功能可以增加儀器功能、降低成本、縮短開發(fā)時(shí)間，還可以提高測(cè)量速度。它也可以用于計(jì)算，所以您只需要處理數(shù)據(jù)輸出即可，減少了要管理的數(shù)據(jù)量。

圖 5. 將自定義代碼寫入儀器的 FPGA，可以縮短測(cè)量時(shí)間、加快測(cè)試或縮減數(shù)據(jù)需求。

Input Signal DC – 2 Ghz

Channel 1

Channel 2

High-Speed Digitizer

ADC

FPGA

Specific function

Insert custom code

Processed data

Recommended Host PC

輸入信號(hào)直流 - 2 GHz

通道 1

通道 2

高速數(shù)字化儀

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

FPGA

具體功能

插入自定義代碼

處理過的數(shù)據(jù)

建議的主機(jī)

示波器和數(shù)字化儀都可以利用其他特定應(yīng)用軟件和分析工具來處理采集的信號(hào)。常用分析工具包括 MathWorks 或是德科技的 89600 VSA 復(fù)雜調(diào)制分析軟件。

• 探測(cè)和輸入電壓。探測(cè)對(duì)于獲得所需的信號(hào)至關(guān)重要。此外，如果考慮在更高頻率、更高電壓或更大電流下增加的電容負(fù)載，探測(cè)可能會(huì)變得更復(fù)雜。在進(jìn)行較高頻率的測(cè)量時(shí)應(yīng)當(dāng)使用有源探頭。示波器通常提供各種探測(cè)選件，包括無源探頭、有源的電壓和電流探頭、高電壓探頭、差分探頭和光學(xué)探頭。探頭采用與示波器輸入阻抗相匹配的設(shè)計(jì)。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(shù)字化儀通常不包括匹配的探頭解決方案，并且在很多情況下只支持固定的 50 Ω 輸入阻抗，其目的是盡量減少信號(hào)路徑中額外電路的影響。此外，數(shù)字化儀通常嵌入在更大的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)中的信號(hào)連接是固定連接。

總結(jié)

示波器和數(shù)字化儀都使用 ADC 進(jìn)行寬帶測(cè)量，但它們都針對(duì)不同的使用模式和應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

示波器針對(duì)在非常寬的帶寬測(cè)試上的可視性進(jìn)行了優(yōu)化。它們具有非常高的波形更新速率，可用于查看和識(shí)別未知事件或毛刺。高級(jí)觸發(fā)支持對(duì)特定事件進(jìn)行歸零，以供進(jìn)一步分析或觸發(fā)高速串行總線測(cè)試。各種類型的示波器探頭能用于查看設(shè)計(jì)中不同點(diǎn)上的信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理來適應(yīng)高電壓、高電流或高頻率。典型的示波器應(yīng)用包括：

• 對(duì)設(shè)計(jì)執(zhí)行調(diào)試和故障診斷。示波器可以查看信號(hào)細(xì)節(jié)—它具有極高的波形更新速率，能夠顯示波形細(xì)節(jié)（如毛刺和異常），并且能對(duì)設(shè)計(jì)中的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。
• 捕獲不常見的通信誤碼對(duì)于串行協(xié)議解碼至關(guān)重要，具有硬件觸發(fā)和串行協(xié)議解碼功能的示波器可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
• 表征和驗(yàn)證數(shù)字 I/O 性能以及各種 COTS 技術(shù)（包括 CAN、DDR、DisplayPort、PCIe、NFC 和其他技術(shù)）。

寬帶數(shù)字化儀用于對(duì)信號(hào)保真度要求很高的應(yīng)用。它們通常具有高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍，以及用于捕獲信號(hào)的深存儲(chǔ)器，以便使用快速多通道 PCIe 總線將信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理。在采集大量數(shù)據(jù)時(shí)偶爾會(huì)使用數(shù)據(jù)流傳輸。ATE 系統(tǒng)和高密度多信道信號(hào)分析應(yīng)用都得益于具有高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）技術(shù)的數(shù)字化儀。典型的數(shù)字化儀應(yīng)用包括：

• 使用單信道或多信道數(shù)字化儀來監(jiān)測(cè)電信號(hào)，以確定事件的物理特性，常用于激勵(lì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化儀可在不同時(shí)間點(diǎn)記錄信號(hào)特征，以便對(duì)事件發(fā)生前后的情況進(jìn)行分析。
• 通過進(jìn)行多次跨信道幅度和相位測(cè)量可以校準(zhǔn)多通道天線，然后進(jìn)行比較，以確保信道/組件之間保持最小相位差。多通道數(shù)字化儀用于快速獲取跨信道幅度和相位測(cè)量結(jié)果以進(jìn)行比較。
• 多通道高速數(shù)字化儀用于采集 MIMO 探測(cè)信號(hào)。
• 信號(hào)經(jīng)過采樣后，由板載 FPGA 加以處理，或?qū)?I 和 Q 數(shù)據(jù)發(fā)送到外部存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行后期處理，以便在 5G 毫米波 MIMO 信道探測(cè)應(yīng)用中創(chuàng)建有效的信道脈沖響應(yīng)（CIR）數(shù)據(jù)。

在選擇寬帶信號(hào)采集所使用的示波器或數(shù)字化儀時(shí)，各個(gè)型號(hào)的詳細(xì)信息及優(yōu)缺點(diǎn)請(qǐng)見 www.keysight.com/find/wideband-appnotes 或網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。

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是德科技是一家領(lǐng)先的技術(shù)公司，致力于幫助工程、企業(yè)和服務(wù)提供商客戶優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將其電子產(chǎn)品以更低的成本、更快地推向市場(chǎng)。從設(shè)計(jì)仿真到原型驗(yàn)證、再到生產(chǎn)測(cè)試以及網(wǎng)絡(luò)和云環(huán)境的優(yōu)化，是德科技提供了全方位電子信號(hào)測(cè)試與分析解決方案。我們的客戶遍及全球通信、航空航天與國(guó)防、汽車、能源、半導(dǎo)體和通用電子終端市場(chǎng)。2017 年 4 月，是德科技完成對(duì) Ixia 的收購(gòu)。Ixia 公司在網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、可見性和安全解決方案領(lǐng)域具有十分雄厚的實(shí)力。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 www.keysight.com。

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