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数字和取样示波器的关键器件和电路(05-100)

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作者:时间:2009-02-23来源:电子产品世界

  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,与数字存储的ADC芯片相似,取样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:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/91573.htm

  ·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。缓冲级是T4ACT14,施密特触发器,属于摩托罗拉公司的FACT逻辑系列芯片,可产生上升、下降边沿1ns的窄脉冲。末级电流放大器采用ADI公司的AD8009芯片,它在大信号状态下具有440MHz带宽,增益等于2,转换率5500V/礢,产生在50Ω负载上的上升时间0.55ns,幅度2V,半高宽度0.6ns的输出脉冲。图3的连接方法可获得单板正向取样脉冲,改变电路的驱动方式不难产生单极负向脉冲或双向脉冲输出。与AD8009相似的芯片还有TI公司的OPA695、Maxim公司的MAX4223和Intersil公司的E15367。显然,限于器件的电气性能,借助晶体管脉冲放大器不容易获得半高宽度〈0.5ns的取样脉冲,亦即等效带宽不超过1GHz。如果要求10PS~100PS,的半高宽取样脉冲,可将脉冲放大器输出送入取样头。

  结语

  数字存储示波器和取样示波器的关键器件和电路不断涌现,使得工程技术人员构建用户定制的实时带宽1GHz的数字存储示波装置,甚至等效带宽超过10GHz的取样示波设备成为可能。多种关键器件和电路可供使用,亦促进PC基显示仪器更为丰富,近年基于PCI总线和USB总线的数字化仪器、时域反射计、超宽带UWB接收机等仪器都充分利用了这些成果。■(李仪)


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关键词: Atmel 示波器

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