用于宽带测量的数字化仪或示波器——关注的理由？

我们生活在一个存在巨大技术断层的时代。新兴的无线通信应用趋向于更宽的带宽、更高的频率、更密集的调制方案、多个信道，以及有更多的数据需要管理。为了测量宽带信号，工程师通常需要使用示波器和数字化仪，这些仪器利用 ADC 技术进行波形采集。在某些情况下，这些仪器可互换使用进行波形分析。然而，尽管存在许多相似之处，示波器和数字化仪终究有些区别，它们分别针对不同的目标应用进行了优化。例如，示波器通常配有大型前面板显示屏和键盘，用于快速呈现随时间变化的波形。某些仪器厂商将示波器当作数字化仪推广，或将数字化仪作为示波器推广，这可能会造成困惑。本文针对数字化仪或示波器的关键特性进行了详细介绍，以供您在选择下一个宽带测量解决方案时参考。

在设计宽带测试解决方案时，要考虑以下这些关键特性：

表 1. 宽带测量要考虑的关键特性。

我们来详细解释几个关键项：

·分辨率和动态范围。数字化仪和示波器都使用 ADC 来采集波形数据。ADC 对输入电压进行采样，并得出电压电平的二进制表示。有效位数（ENOB）能很好地衡量动态范围。ENOB 是考虑到噪声和失真的有效位分辨率。它准确地反映了频域或时域测量中出现的宽带噪声。

ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

§SINAD（信号-噪声及失真比）衡量的是信号质量。ADC 分辨率会对它造成影响，但还有其他一些因素也对它有影响。

例如：

-8 位采集将 10 Vpp 输入范围分成 28 份 = 256 级，每级为 39 mV

-10 位采集将级数增加 4 倍，16 位增加 256 倍（10Vpp 输入范围分为每级 152 uV）

示波器通常在非常大的带宽上使用 8 位 ADC 进行采集。通过在示波器内添加不同的滤波技术可以改善 ENOB。例如，是德科技 InfiniiVision 示波器（配有 8 位 ADC，采样率达 2.5 GS/秒）具有高分辨率模式，可以在降低带宽的前提下实现更好的分辨率，将 ENOB 提升到 12 位。示波器分辨率适用于呈现非常宽的带宽上的时域测量结果。

数字化仪通常采用 12 位或 14 位 ADC，并可以在缩小的带宽上获得更高的分辨率。数字化仪通常具有更高的 ENOB，或者在更窄带宽上提供更高分辨率。对于需要进行频谱分析或具有动态信号（同时包含大电压和小电压分量）的应用（如调制后的波形），较高的 ENOB 有助于实现更高的分辨率和更低的本底噪声（或更好的无杂散动态范围，即 SFDR）。与 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 的数字化仪能在数据分析期间捕获更精细的细节，例如，一台 10 位数字化仪可以提供 57 dB 的 SFDR，而 12 位数字化仪则能达到 65 dB。

·输入带宽和采样率。选择具有足够带宽的数字化仪或示波器对于准确捕获信号中最高频率分量非常重要。奈奎斯特采样定理表明，对于采样系统，奈奎斯特频率 Fn 等于采样频率 fs 的 1/2。奈奎斯特频率以上的信号能量将与 ADC 采样率混合，其产物将折返到基带上感兴趣信号的顶部，导致无法实施精确采集（也称为混叠）。输入带宽限制滤波器通常用于确保没有信号能量高于有效奈奎斯特频率。

图 1. 输入带宽和采样频率。

在示波器中，最大额定采样率 fs 应当比实时带宽高 2.5 至 3 倍。这使得波形重建滤波器能够以很好的分辨率精确再现高速信号的波形。

在数字化仪中，您可以考虑选择超过采样率（fn）一半的带宽。有时可以通过欠采样（undersampling）和特殊输入滤波来捕获大于 Fs/2 的频率。例如，是德科技的 M9203A 和 M9703B 数字化仪支持 2 GHz 带宽，ADC 采样时钟速率为 1.6 GS/s，允许使用欠采样直接进行下变频。

在更高分辨率的数字化仪中，应当考虑到带宽增加时随之上升的总体噪声。电路上增加的额外信号调理可能会影响 SFDR。这也是为什么数字化仪通常通过有限的满标度范围（SFR）功能来保持交流或直流耦合，以确保获得最低失真和最大动态范围（以及最好的 SFDR）。

示波器可以提供多种 FSR 和交流/直流耦合选择。45 dB 的 SFDR 足以同时呈现大信号和小信号。带宽越大，影响就越小，因为在 8 位分辨率下看不到增加的噪声。

·采集存储器和数据流传输。请确保您有足够的采集存储器，能在适当的观察时间窗口内捕获最复杂的信号。这需要根据应用和需要收集的数据量来确定。在数字化仪中，采集存储器通常以 MSa 或 GSa 为单位，在示波器中则以 Mpts 为单位。它们决定了每个 ADC 板上存储器的大小。

时间间隔 = 采集存储器/采样率
某些记录应用需要长时间采集数据，不可能在板上存储器中存储数据。在这样的情况下，可以使用离线数据流传输来采集数据并发送到外部存储设备上进行后期处理。许多模块化数字化仪是数据流传输的理想之选，因为它们直接与高速 PCIe 总线相连。



高级触发、分段和 DDC 等技术减少采集所需的板上存储器。