介紹

模塊化數(shù)字化儀和類(lèi)似的測(cè)量?jī)x器（如圖1所示的Spectrum M4i系列）需要將各種信號(hào)特性與內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的固定輸入范圍相匹配,。

數(shù)字化儀前端還必須最大程度地減少被測(cè)設(shè)備的負(fù)載并提供適當(dāng)?shù)鸟詈稀Ａ硗猓€需要進(jìn)行濾波以減少寬帶噪聲的影響,。所有這些功能都由儀器的“前端”提供,，其中包括輸入與ADC之間的所有電路,。數(shù)字化儀用戶(hù)需要了解利弊才能正確使用這些儀器,。

圖1 頻譜M4i.44xx高速數(shù)字化儀,，包括2和4通道版本,，分辨率為14或16位,。

圖2顯示了本示例中使用的Spectrum M4i系列模塊化數(shù)字化儀的框圖。每個(gè)輸入通道都有自己的前端（綠色陰影部分）,，可以獨(dú)立設(shè)置,。前端提供適當(dāng)?shù)妮斎腭詈虾投私右约胺秶x擇和帶寬限制濾波。

圖2 M4i.44xx PCIe14/16位模塊化數(shù)字化儀的框圖。每個(gè)通道的前端顯示為綠色,，前端提供適當(dāng)?shù)妮斎腭詈虾投私右约胺秶x擇和帶寬限制濾波,。

前端功能

要使模塊化數(shù)字化儀最大化實(shí)現(xiàn)其功能，要求前端電路具有以下功能：

1. 選擇一種輸入端接,，提供匹配的阻抗或具有高阻抗輸入的最小負(fù)載,。

2. 根據(jù)需要提供交流或直流耦合，選擇耦合模式,。

3. 濾波,，最大程度地降低噪聲同時(shí)減少諧波分量（如果存在）。

4. 多個(gè)輸入范圍,，可以捕獲輸入信號(hào)電平的大范圍變化,，同時(shí)將噪聲和失真降至最低，以保持信號(hào)完整性,。

5. 內(nèi)部校準(zhǔn),，最大程度地提高準(zhǔn)確性。

輸入端接

測(cè)量?jī)x器應(yīng)正確終止信號(hào)源,。對(duì)于大多數(shù)射頻（RF）測(cè)量,，通常為50Ω端接。匹配的端接會(huì)使反射引起的信號(hào)損失最小,。50Ω匹配的品質(zhì)因數(shù)是回波損耗或電壓駐波比（VSWR）,，品質(zhì)因數(shù)均表示阻抗匹配的質(zhì)量。

如果源器件具有高輸出阻抗,，則可以與1MΩ高阻抗端接匹配,，從而最大程度地減少電路負(fù)載。1MΩ終端還允許使用高阻抗示波器探頭,，這會(huì)進(jìn)一步增加負(fù)載阻抗,。通過(guò)將1MΩ端接與外部600Ω端接相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)與其他標(biāo)準(zhǔn)端接（如600Ω音頻）的阻抗匹配,。

考慮到方便性和信號(hào)的完整性,，在設(shè)計(jì)選擇輸入阻抗時(shí)需要進(jìn)行工程權(quán)衡，所以一些模塊化數(shù)字化儀供應(yīng)商僅提供50Ω端接,。如果您需要一個(gè)高阻抗終端或同時(shí)具有50Ω和50Ω的高阻抗終端,，需要確認(rèn)制造商是否提供。Spectrum M4i系列旨在為用戶(hù)提供輸入端接的選擇,，同時(shí)保持最高水平的信號(hào)完整性,。

輸入耦合

測(cè)量?jī)x器中的輸入耦合將測(cè)量?jī)x器交流或直流耦合到電源。直流耦合顯示整個(gè)信號(hào),，包括直流偏移（非零均值信號(hào)）,。交流耦合消除了穩(wěn)態(tài)平均值（DC），可用于直流電源輸出的紋波等測(cè)量。如果沒(méi)有交流耦合,，則直流輸出將需要較大的信號(hào)衰減,，難以精確測(cè)量紋波。通過(guò)交流耦合,，可以使用更高的輸入靈敏度,，從而更好地測(cè)量紋波分量。

交流耦合的關(guān)鍵指標(biāo)是交流耦合頻率響應(yīng)的低頻截止頻率（-3dB點(diǎn)下限）,。這決定了交流耦合將低頻信號(hào)衰減到多少,。它還與恢復(fù)時(shí)間有關(guān)，即應(yīng)用于儀器的DC電平改變后,，輸入電平穩(wěn)定所需的時(shí)間,。通常，截止頻率越低,，耦合電容器越大,，建立時(shí)間越長(zhǎng)。

一些模塊化數(shù)字化儀僅提供AC或DC耦合,，而不能選擇兩者,。同樣，這是降低復(fù)雜性的工程折衷,，因?yàn)榫哂泄潭詈系臄?shù)字化儀不必處理繼電器或開(kāi)關(guān)等組件,。同樣，應(yīng)用程序?qū)⒋_定是否可以接受固定或可選的耦合,。當(dāng)測(cè)量需求發(fā)生變化時(shí),，可選的耦合器可以提供更大的靈活性。

輸入電壓范圍

數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC通常具有固定的輸入范圍,。最簡(jiǎn)單的接口是具有與ADC相匹配的固定輸入范圍的單個(gè)輸入。盡管簡(jiǎn)單,，除非單個(gè)范圍恰好是您要使用的范圍,，否則在測(cè)量?jī)x器中是不實(shí)用的。為了使輸入信號(hào)擺幅進(jìn)入ADC范圍,，需要使用衰減器或放大器,。

衰減器是一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器，通常是電阻分壓器,，可減小輸入信號(hào)的幅度,。使用優(yōu)質(zhì)組件設(shè)計(jì)時(shí)，通常不會(huì)顯著降低信號(hào)完整性,。衰減器位于信號(hào)路徑中時(shí),，出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是儀器內(nèi)部噪聲幅度隨前端衰減而縮放（相對(duì)于衰減器的輸入）。因此，如果數(shù)字化儀的噪聲電平為58μV,，并且添加了10：1衰減器,，則參考輸入的噪聲電平為580μV。噪聲水平仍然是衰減滿(mǎn)量程范圍的相對(duì)百分比,。

放大器是另一回事,。即使設(shè)計(jì)得當(dāng)，它們通常也會(huì)將噪聲引入信號(hào)路徑,。數(shù)字化儀的內(nèi)部噪聲在參考輸入時(shí)會(huì)因放大器的增益而降低,，在某種程度上可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)。放大器還會(huì)引入失真,，進(jìn)一步降低信號(hào)的完整性,。放大器的另一個(gè)局限性是具有固定的增益帶寬乘積。如果想要增加增益,，那么必須成比例降低帶寬,。這一點(diǎn)可以在帶寬降低的高靈敏度范圍內(nèi)看到。

輸入電壓范圍的選擇是模塊化數(shù)字化儀設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵領(lǐng)域,，因?yàn)樗鼘?duì)信號(hào)完整性有很大的影響,。同時(shí)，為用戶(hù)提供了更大的靈活性,，將可用信號(hào)幅度與數(shù)字化儀輸入范圍進(jìn)行匹配,。供應(yīng)商提供了多種方法，從提供單個(gè)固定輸入范圍（將數(shù)字化儀制造商的設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)移到需要自己進(jìn)行正確放大的最終用戶(hù)）到提供多個(gè)輸入路徑,，它們的變化不盡相同,。多個(gè)輸入路徑結(jié)合了“緩沖”路徑和“50Ω”高頻（HF）路徑，可在輸入范圍和端接方面提供最大的通用性,，而“50Ω”高頻（HF）路徑可在較少輸入范圍的情況下提供最高帶寬,、最佳信號(hào)完整性和固定的50Ω端接。圖3中的框圖顯示了頻譜檢測(cè)的體系結(jié)構(gòu)M4i.44xx模塊化數(shù)字化儀,，包括雙輸入路徑,。

圖3 M4i.44xx模塊化數(shù)字化儀體系結(jié)構(gòu)

高頻路徑經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供最佳帶寬和最佳信號(hào)保真度,。緩沖路徑通過(guò)提供更多和更廣泛的輸入電壓范圍選擇,，提供了最大的通用性。用戶(hù)可以選擇最符合其測(cè)量要求的輸入路徑,。表1比較了14位500MS/s版本（M4i.445x）的每個(gè)路徑的特性,。

表1M4i.445x高頻路徑與緩沖路徑的特性

圖4比較了高頻路徑和緩沖路徑對(duì)數(shù)字化儀500mV范圍內(nèi)256階躍斜坡的響應(yīng),。在此圖中，我們正在查看每個(gè)路徑中的單個(gè)步驟（請(qǐng)注意,，已為每個(gè)路徑選擇了相鄰的步驟,，因此它們不會(huì)重疊）。

圖4 高頻和緩沖路徑對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器500mV范圍內(nèi)256階躍斜坡的響應(yīng)

請(qǐng)注意,，緩沖路徑中的峰峰值噪聲比高頻路徑中的噪聲高,。高頻路徑設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以最大程度地減少噪聲,，盡管其帶寬是緩沖路徑的兩倍,，但噪聲仍然低得多。為此性能付出的代價(jià)是減少了可用輸入范圍內(nèi)的數(shù)量,，并減少了使用50Ω端接的必要性,。還有，如果模塊化數(shù)字化儀僅提供與緩沖路徑等效的信號(hào),，則會(huì)“卡在”噪聲水平較高的級(jí)別,。分析這些波形的直方圖，如圖5所示,，我們可以看到高頻路徑的均值分布小于緩沖路徑的均值分布,。這意味著高頻路徑中的變化或噪聲較小。

圖5 高頻路徑和緩沖路徑的直方圖

這種現(xiàn)象的量度是標(biāo)準(zhǔn)偏差,。在此示例中,，高頻路徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.125mV，而緩沖路徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.183mV,。這提供了相同輸入信號(hào)兩個(gè)信號(hào)路徑之間噪聲電平差異的量化,。應(yīng)當(dāng)注意，兩個(gè)響應(yīng)也都包含來(lái)自信號(hào)源和數(shù)字化儀的噪聲分量,。

高頻的較高信號(hào)完整性的優(yōu)勢(shì)還可以從使用兩個(gè)輸入信號(hào)路徑的數(shù)字化儀獲取的正弦波頻譜中看出,。如圖6所示。這里顯示了通過(guò)每個(gè)輸入路徑采集的信號(hào)的快速傅里葉變換（FFT）,。光標(biāo)標(biāo)記頻譜峰值和最高雜散的峰值,。高頻路徑的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為80.9dB，而緩沖路徑為60.7dB,。還要注意，在高頻信號(hào)路徑情況下,，噪聲基線(xiàn)較低,。

圖6 高頻路徑與緩沖路徑的快速傅里葉變換

關(guān)于改善信號(hào)完整性的一些建議

無(wú)論選擇哪種信號(hào)路徑，都有一些常規(guī)規(guī)則來(lái)幫助獲得最佳信號(hào)完整性,。首先是盡可能多地使用輸入范圍,。如果信號(hào)幅度穩(wěn)定,，則選擇至少使用該范圍90％的輸入范圍。不要過(guò)驅(qū)動(dòng)ADC,。如果超出滿(mǎn)量程范圍,，則將導(dǎo)致失真或削波，從而產(chǎn)生不需要的諧波并降低信號(hào)完整性,。

帶寬限制濾波器（如果在數(shù)字化儀中可用）可以幫助減少噪聲,。本文使用的數(shù)字化儀中，前端有一個(gè)模擬20MHz低通濾波器,，可以切換以限制數(shù)字化儀的帶寬,。如果輸入信號(hào)中內(nèi)容沒(méi)有高于20MHz，則使用濾波器通過(guò)降低20MHz以上的噪聲來(lái)提高采集信號(hào)的信噪比,。

內(nèi)置校準(zhǔn)

Spectrum的所有模塊化數(shù)字化儀通道在出廠(chǎng)前均經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準(zhǔn),。由于模塊化數(shù)字化儀已集成到PC環(huán)境中，其中可能會(huì)有PC電源電壓和溫度等變化,，因此該數(shù)字化儀的軟件驅(qū)動(dòng)程序提供了例行程序,，用于對(duì)所有輸入范圍進(jìn)行自動(dòng)板載偏移和增益校準(zhǔn)（僅限緩沖信號(hào)）的緩沖信號(hào)路徑。每個(gè)數(shù)字化卡均包含一個(gè)高精度的內(nèi)置校準(zhǔn)參考,。這是一項(xiàng)出色的功能,，可在環(huán)境變化和老化的情況下幫助保持數(shù)字化儀的校準(zhǔn)。最好的做法是確保數(shù)字化儀正常工作并有足夠的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定的工作溫度后,，再執(zhí)行校準(zhǔn),，通常在10到15分鐘后即可。

結(jié)論

模塊化數(shù)字化儀的前端需要提供所有必要的功能,，以確保準(zhǔn)確,、可重復(fù)的測(cè)量。多個(gè)輸入范圍,、AC/DC耦合,、濾波和內(nèi)置校準(zhǔn)都有助于確保最大的信號(hào)完整性和準(zhǔn)確性。精心設(shè)計(jì)的前端將允許用戶(hù)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸入信號(hào),，確保其覆蓋盡可能多的ADC范圍,，而不會(huì)過(guò)驅(qū)動(dòng)它。只有這樣,，數(shù)字化儀才能達(dá)到最佳的測(cè)量精度和精度,。