電子示波器是最受歡迎的電信號測量工具，目前數字存儲示波器的實時帶寬超過10GHz，取樣數字示波器的等效帶寬達到100GHz，在實驗室、車間、現場都有各種電子示波器為電信號測量提供數據。根據電子示波器的基本原理可分為模擬和數字兩大類。由于模擬示波器在電路結構上比數字示波器復雜，帶寬1GHz以上的電子示波器全部是數字示波器就不難理解了。當帶寬超過10GHz時，取樣數字示波器又具有電路結構最簡單的優勢，除了取樣門要求最高帶寬之外，其它都是低速電路，因而較易獲得100GHz的等效帶寬。

帶寬1GHz以上的數字存儲示波器和等效帶寬10GHz以上的取樣示波器，它們的單臺售價相當昂貴。針對特定應用往往僅使用到某些頻率和功能，此時，根據被測對象構建用戶定制的數字存儲或取樣示波器是可取的方法。本文提供有關的關鍵器件和電路都是近年的新產品。

圖1 取樣率2GS/S的ADC芯片的結構框圖

圖2 雙管式半橋式取樣頭電路

數字示波器的關鍵器件

數字存儲示波器的關鍵器件——輸入前端模/數轉變器，通常是測量儀器公司自行設計和專用的高速集成電路，不供市售，例如TeK公司用在TDS5000等系列使用的帶寬500MHz以上的ADC，由TeK和IBM共同開發制造，成本很高，只供維修時更換。直到今年Atmel公司推出AT84AS系列高速ADC，才有帶寬1GHz，取樣率2GS/S，分辨率10位的產品可供使用。現在，電子應用工程師可購買到高速高精度的ADC，構建數據采集系統、數字存儲示波器、自動測試系統、直接射頻轉換器等高頻電路。Atmel供應的AT84AS系列，目前有兩個型號：AT84AS003和AT84AS004，前者的取樣率1.5GS/S，后者的取樣率2GS/S，兩者完全兼容，AT84AS004的主要特征為：

·最高取樣率-2GS/S

·最高分辨率-10位

·模擬輸入電壓和阻抗-500mv，100Ω（差分）、50Ω（單端）;

·模擬輸入帶寬-3.3GHz

·1GHz的高頻特性—有效位數7.8位，信噪比51dB，無雜波動態范圍-55dB，

·調節功能-ADC增益，取樣延遲，數據有效輸出，超量程指示輸出，1：4多工信號輸出。

·供電電壓—-5V，-2.2V，3.3V，2.5Vp，功率耗散6.5W

·裝封—-EBGA317，25×35mm

·工作溫度-0℃~90℃（民用級）-20℃~110℃（工業級）

AT84AS004芯片的結構框圖如圖1所示，從圖1可見，輸入信號Vin經取樣保持電路S/H，送入量化器和邏輯電路，在時鐘輸入CLR，取樣延遲調節SDA、圖形發生器有效位PGEB、復位脈沖DRRB作用下實現A/D轉換過程。獲得的A/D數據輸出經解多路復用器DMUX和低壓差分緩沖級LVDS放大，形成4路輸出端口A、B、C、D，4組輸出的10位數字信號供存儲器、DSP等作數據處理使用。芯片的調節信號還有內建自測試BIST，異步復位ASYNRST，增益調節GA，二進制和灰度碼選擇B/GB，休眠狀態SLEEP等。

AT84S004芯片是目前市售頻率指標最高的ADC。首先是取樣率達到2GS/S，模擬輸入帶寬是3.3GHz。按取樣原理可知，ΔF≤Fs/2即實時帶寬應小于/等于取樣率Fs。該芯片的Fs=2GS/s，求得△F=1GHz，即第一奈奎斯特區處在1GHz以下，第二奈奎斯特區擴展到2GHz。為避免產生波形混淆，數字存儲示波器只使用第一奈奎斯特區，但是，雙頻通信應用時，可進入到第二奈奎斯特區，因為需為更寬的輸入帶寬。其次，在1GHz下的有效位數是7.8位而不是10位，由于時鐘頻率提高和電壓比較器電平不穩，高頻的分辨率會下降，從10位變成7.8位。大部分市售數字存儲示波器的分辨率是8位。在高頻時會低于7位。還有，芯片提供1：2和1：4的多工數字輸出，對于后端數據處理非常有利，可以使用時鐘較低的閃存和DSP，降低電路成本。

Atmel公司的AT84AS系列TDC仍在發展中，CMOS芯片的時鐘頻率可達到5GHz，表明該系列的取樣率還有提高的潛力，Atmel今年已連續推出1.5GS/S和2GS/S兩種ADC。Maxim公司的MAX108是8位分辨率和1.5GS/S的ADC，同樣適用于數字存儲示波器。

取樣示波器的關鍵器體

取樣示波器的關鍵器件是取樣頭，在原理上并非數/模轉換過程而是開關過程。如果開關脈沖寬度用τ表示，等效帶寬用ΔF表示，則求得ΔF=a1/τ，式中α是與開關脈沖波形有關的常數。例如，當τ=0時，ΔF =∞，亦即，開關脈沖寬度趨于零時，等效帶寬趨于無限大。一般假設開關脈沖是鐘形函數，此時，作為估算可取ΔF =0.35/τ，當τ=3.5ps，求得ΔF=100 GHz。

取樣門電路可用橋式電路，通常采用如圖2所示的雙管半橋式開關電路。當輸入的+LO和-LO驅動脈沖加到反向偏置的快速開關二極管對，+L0和-L0驅動脈沖分別由2PS微帶線短路，產生1PS級的開關脈沖，并且對被測信號RF取樣。取樣獲得的信號樣品瞬間電荷保持在Chold電容對上，將取樣電荷作處理和在慢速時間上對樣品重建，即完成順序取樣的顯示過程。由此可見，取樣示波器在取樣門實現高頻高速的開關變換后，后端的信號處理可在低頻低速下重建。如果后端采用數字處理，就是取樣數字示波器，采用模擬處理，就是（模擬）取樣示波器。

取樣門的電路元器件不多，測量儀器公司按微波電路制成在陶瓷片上，密封在金屬外殼內，輸入RF信號和取樣脈沖由小型同軸接頭連接，與數字存儲示波器的ADC芯片相似，取樣示波器的高頻高速取樣頭并無市售產品，近年來情況有很大變化，PSPL（皮秒脈沖實驗室）公司供應帶寬高至100GHz的取樣頭，使測量工程師構建取樣示波器變得容易得多，也促進了取樣技術的發展。圖2實際上就是PSPL公司的通過式100GHz取樣頭，取樣頭具有如下的特性：

·取樣孔徑-3ps~35ps（在設計時固定）

·孔徑抖動—《1ps（RMS），

·RF帶寬—達到100GHz，

·RF輸入動態范圍—2Vp-p，

·RF阻抗—50Ω，可用SMA~1mm同軸接頭，

·取樣率—》10GS/S

·取樣效率—60%

由上述指標可知，該取樣頭滿足10GHz~100GHz等效帶寬的測量，辦法是調節取樣脈沖的寬度，即取樣孔徑。改變圖2中的微帶線長度是最常用的方法，PSPL在這里采用更簡便和靈活的高速反向階躍二級管代替微帶線，構成非線性短路傳輸線，達到取樣脈沖寬度連續可調和極快速的上升邊沿。取樣率達到10GS/S同樣是過去的取樣頭未曾具備的指標，傳統電路采用雪崩三極管產生階躍邊沿的脈沖，再由階躍恢復二極管整形獲得10PS級的取樣脈沖。這種電路的最高工作頻率受雪崩三極管要進入飽和區的限制，只能在1MHz以下的重復頻率運行。PSPL使用級聯非飽和放大器電路將方波脈沖整形，得到高重復頻率的階躍脈沖，取樣率從1GS/S提高到10GS/S。因而，PSPL的100GHz取樣頭既可構建等效帶寬〈100的取樣示波器，同時相當于取樣率10GS/S的實時數字示波器。

圖3 取樣脈沖整形和放大電路

產生步進時基的幾種方法

數字存儲示波器的時基取自前端ADC時鐘的倍頻分頻器，亦可采用后端的DAC輸出，兩種方法都獲得時間步進掃描。取樣示波器需要采用有順序延時的取樣脈沖，而不是等時的時鐘脈沖，數字方法有可程控延時芯片（PDC）或時間/數字轉換器（TDC），它們都有市售產品，延時增量可從10PS級至100PS級變化。后者可獲得10PS級的步進延時，所謂游標延時發生器實際上是機械式游標卡尺的電學實現，游標卡尺的兩塊夾片的mm標度相差1/10，根據被測物體在兩夾片標度測得的重合點，即可獲得0.1mm的讀數精度。

按游標卡尺的同樣原理，利用兩個振蕩頻率F2和F1的頻差F可產生高精度的步進延時，如下式所示：

k=f2/（f2-f1）=f2/Δf 或 k=T1/（T1-T1）=T1/ΔT

式中K是兩個周期的重合點，f2（T2）和f1（T1）分別是兩個不同頻率和相應周期，ΔT是時間差。不難看出，ΔT相當步進延時，K相當取樣點數。例如，一塊晶體振蕩器的f1=8.000，000MHz，另一塊晶體振蕩器的f2=8.000，156MHz即可求得T=2.4PS，K=52，083取樣點。具體電路可用通用邏輯IC構建，f2晶體振蕩器經整形電路形成方波，它的上升邊沿作為步進延時的參改零點，f1晶體振蕩器亦整形為方波，兩步頻率由運算放大器作差分運算得到差頻Δf，根據實際需要再作其它邏輯運算，在室溫下晶體振蕩器的頻率穩定度優于1×10-8，兩塊晶體振蕩器獲得的總步進延時為125ns，相當于一次掃描長度。

需要步進延時的市售芯片時，可考慮ADI公司的AD9501數字程控延時發生器，從電路結構來看，它是利用DAC產生精確參考電壓與斜波電壓作比較，由運算放大器輸出全程2.5ns至10礢掃描長度，步進延時最小10PS的可調脈沖，最高觸發頻率50MHz。Maxim公司的DS1023程控定時元件，電路結構是可調延時線，可配置成程控延時，脈寬調制和振蕩器，步進延時分為0.25，0.5，1.0，2.0，5.0ns共5檔。性能最好的MC100195程控延時芯片是安森半導體公司的產品，采用ECL工藝和面陣列封裝，電路結構是多級串聯門序列，具有高達1GHz的工作頻率，最小步進延時20PS，最大掃描長度2.0ns還可多芯片串接，獲得更大掃描長度。關于時間數字轉換器的市售芯片可選產品不多，法國ESRF公司的AMS111芯片主要用于核電子測量，電路結構是可調延時線，可調步進延時范圍130~160PS，動態范圍2礢，工作頻率80MHz，4通道輸入。

最后，步進延時脈沖要整形和放大，然后送到取樣頭，對被測信號取樣。完成開關取樣的轉換過程。隨著RF放大器性能的進步，帶寬1GHz，轉換率優于6KV/礢的晶體管有多種型號，圖3是一種典型的取樣脈沖放大電路。