Martin Keizer, Fluke Industrial B.V., P.O. Box 680, 7600 AR Almelo, The Netherlands

在實(shí)驗室中，高頻率信號是相當難捕捉的，但是，對于便攜式現場(chǎng)示波器的額外限制因素使用這種示波器以1GS/s或者更高的速率在現場(chǎng)捕捉信號幾乎無(wú)法實(shí)現。特別是這種頻率的信號對于電池的性能提出了額外的（常常是不可接受的）要求。

以每通道2.5GS/s的速率采集波形本身，對于手持式示波器來(lái)說(shuō)就是一個(gè)重大的工程成就。使用可充電電池，進(jìn)行這種采集工作達4小時(shí)則是一個(gè)更大的成就。如此低的功耗要求無(wú)法使用CCD器件，并需要使用諸如：分裂（splitting）和多路復用等技術(shù)。這兩種技術(shù)都已經(jīng)用在了一種新型的200MHz電池供電的示波器上，并同時(shí)在兩個(gè)通道上提供2.5GS/s的采樣速率。

福祿克公司的新型手持式示波器—190系列示波表（圖1）具有很多甚至通常在高擋臺式示波器上都找不到的特點(diǎn)。首先，它具有獨立隔離的浮動(dòng)的1000V輸入端，以便測試高頻和高壓的系統，例如馬達驅動(dòng)器及不間斷電源等。它具有自動(dòng)（“Connect—and—View(r)"一即觸即測）和手動(dòng)觸發(fā)能力，能夠穩定地顯示甚至不能使大多數其它示波器觸發(fā)的那些信號。并且能夠對于“脈沖寬度寬于”或“窄于”某一數值以及脈沖寬度的變化值等情況進(jìn)行條件搜索。其大容量的采樣存儲器（每路輸入為27500個(gè)點(diǎn)）可以進(jìn)行長(cháng)時(shí)間、高分辯率的記錄并自動(dòng)地捕捉最后100個(gè)波形，易于觀(guān)測間斷性的故障。甚至在滿(mǎn)采樣速率之下，這種抗震的示波器也可以工作4個(gè)小時(shí)，而無(wú)須給電池充電。

以2.5GS/s采樣 在直到50MHz的頻率時(shí)，模擬數字變換器和存儲器的功率耗損都是比較低的，但是，在此頻率以上，其能量的消耗卻與頻率成正比。在這種速度之下進(jìn)行電池操作通常是相當不實(shí)際的，但是，對于重復性的信號來(lái)說(shuō)，等效時(shí)間采樣的方法可以是一種解決的辦法。這時(shí)，可以使用多個(gè)信號周期來(lái)構成一個(gè)完整的波形顯示。然而，用快速單沖捕捉的方法觀(guān)測間歇性的信號時(shí)，您就確定需要實(shí)時(shí)采樣了。 高頻率/低功耗采樣技術(shù)的關(guān)鍵是把信號貯存在模擬存儲器中，然后再以比較低的速率將存儲的內容調出來(lái)。這種“時(shí)間變換”技術(shù)可以使用速度蛟低的低功耗ADC，在速率為2.5GS/s的采集情況下，只需要以20MHz的速率來(lái)進(jìn)行A/D變換。

圖1：福祿克公司電池供電
的手持式199示波表

這項技術(shù)已經(jīng)在由福祿克公司和力科（LeCroy）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一塊新型的混合模擬/數字ASIC電路中實(shí)現。

信號的多路復用也增加了功率的效率（圖2）。輸入信號饋送給一個(gè)1—到—3路的分裂器（splitter），而分裂器的每一個(gè)輸出又饋送給一個(gè)1—到—9路的采樣器（放在盡可能靠近輸入端的地方以便把高頻分量減到最�。�。這些采樣器以833MHz的速率（周期為1.2ns）工作，并且它們之間按一定的相位關(guān)系相移：通過(guò)120°的相位定相，就得到了最終的2.5GS/s(0.4ns)的采樣速率。采樣器的輸出則又饋送給一個(gè)1—到—8路的多路解調器。

圖2：多路復用信號降低功率耗損

另一種替代的方法—CCD—是功率比較高的器件，因為移位采樣FIFO式的通過(guò)型存儲器在每一小時(shí)種周期里對每一個(gè)采樣進(jìn)行一次移動(dòng)。而相反，上述的ASIC集成電路對所有存儲器單元分別進(jìn)行尋址。1—到—8路多路解調器可以驅動(dòng)216行存儲器，其每一行都可以貯存8個(gè)單個(gè)的采樣值。這樣，每個(gè)通道可能尋址總共1728個(gè)模擬采樣點(diǎn)（3х9х8х8）。多路復用以后，就把2.5GHz(0.4ns)、833.33MHz(1.2ns)、92.59MHz(10.8ns)、 11.57MHz(86.4ns) 和1.45MHz(691ns)的數據流放到存儲器中去。

當讀存儲器時(shí)，這個(gè)步驟反了過(guò)來(lái)，在輸出端最大為20MHz的數據流需要比較低的多路復用頻率（比率為125）。

準確地再產(chǎn)生原來(lái)的信號

模擬存儲器是由很小的片上電容器構成的。由于有這些存儲的電荷，所以在重新使用之前，每個(gè)存儲器單元都必須完全清除。ASIC的設計避免了從存儲單元向其它的單元或者向環(huán)境的泄漏現象。所以不會(huì )發(fā)生可以察覺(jué)到的串擾。然而，存儲器單元尺寸和信號通路的變化可能會(huì )影響每個(gè)存儲器單元的特性，所以對它們都進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調節，以消除增益誤差和偏置誤差。

將驅動(dòng)器的時(shí)鐘鎖在固定的頻率（833MHz到1.45MHz）保證了水平穩定性，并且能夠容易得多地確保準確而穩定地控制頻率。這樣，采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就非常精密，并且，對于所有的時(shí)基設置值來(lái)說(shuō)，幅度響應也是類(lèi)似的。采用這種方法，使得采集一觸發(fā)測量分辯度僅為80ps，并且其結果使我們獲得了穩定而不抖動(dòng)的波形顯示。

各種采樣速率是通過(guò)抽選采樣（decimating sample）的方法來(lái)獲得的（圖3），最大長(cháng)度為1728的采樣點(diǎn)采用按特定的圖形來(lái)填充一個(gè)27個(gè)地址單元的存儲器塊來(lái)實(shí)現。在最高2.5GS/s的采樣速率時(shí)，每個(gè)存儲器單元地址連續地使用。在較低的采樣速率時(shí)，則每一個(gè)時(shí)鐘周期并不都引起寫(xiě)存儲器的操作。例如，在抽選因數（decimation factor）為5的情況下，在第一輪時(shí)寫(xiě)入存儲器地址1、2、3、4和5；在第二輪時(shí)寫(xiě)入地址6、7、┅等等。在抽選因數為100的情況下，在第一輪時(shí)，寫(xiě)入存儲器地址1；在第四輪時(shí)寫(xiě)入存儲器地址2等等。所以，三個(gè)采樣器是基本的要求，這樣就能夠產(chǎn)生所有需要的抽選因數而不必減少存儲器的長(cháng)度。例如，在使用兩個(gè)采樣器時(shí)，當抽選因數為2時(shí)，將只能使用所有采樣存儲器單元地址的一半。

圖3：抽選技術(shù)靈活地產(chǎn)生各種采樣速率

class=p>該ASIC有兩個(gè)時(shí)間變換電路，這就意味著(zhù)可以同時(shí)以達到最大采樣速率的速度，在A(yíng)和B兩個(gè)通道捕捉模擬數據。圖4表示出在兩個(gè)實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)處的光標。0.4ns的周期相應于2.5GHz的數據流。


在單個(gè)的ASIC中把模擬電路和數字電路組合在一起，還能把環(huán)境的串擾降低到最小，并導致重新產(chǎn)生平滑的信號。這樣一個(gè)2.5G/s雙通道采集芯片滿(mǎn)足了高級的200MHz雙通道示波器的主要要求。并且，其1.5W的功耗完全可以由可充電電池的方法來(lái)提供。

圖4：顯示連續實(shí)時(shí)采樣波形上的光標的屏幕圖象