数字示波器原理

下面以安捷伦的90000A系列数字示波器为例，介绍数字示波器的原理。

图1.数字示波器内部结构图

图2.安捷伦90000A系列示波器捕获板
图1是数字示波器内部结构图。示波器内部结构主要包括如下几个部分：
1）信号调理部分：主要由衰减器和放大器组成；
2）采集和存储部分：主要由模数转换器ADC，内存控制器和存储器组成；
3）触发部分：主要由触发电路组成；
4）软件处理部分：由一台计算机组成。
信号进入示波器后，先要进行衰减，再进行放大，这是为什么呢？
原来，衰减器是可调衰减器，当衰减比调节的较大时，让我们能够测试大幅度的信号，当衰减比调节的较小或0dB衰减时，通过放大器的放大作用，使得我们可以测试小幅度的信号。我们平时调节示波器的垂直灵敏度，实际上就是调节衰减器的衰减比。通过信号调理电路使得信号能够较理想的让ADC进行模数转换，反映在示波器屏幕上就是尽量显示的波形能够达到屏幕的2/3以上（但是不要超出屏幕）。
放大器一方面是对信号进行放大，另一方面是提供匹配电路去驱动ADC和触发电路，放大器决定了示波器的模拟带宽，这是示波器的第一重要指标。
信号经过ADC后，需要先把点存在存储器里，设置的存储器存满了，再把样点传递到计算机，这是为什么呢？
原来，ADC的采样速率比较高（比如每秒20G样点），每个样点用8bits来表示（现代的数字示波器通常ADC都是8位），ADC后面的总线带宽就达到160Gbps，这是不可能实时把样点传递到计算机的。所以需要采用Block的工作方式，先把点存起来，存满后再慢慢的把数据传递到计算机，而且这个时间一般相对采集时间较长，所以数字示波器的死区时间还是比较大的（一般为95％以上）。那么如何保证示波器捕获我们感兴趣的信号呢？这就要靠触发,通过触发来解决采集和传输的矛盾。
示波器的第二重要指标有ADC决定，就是实时采样速率。第三重要指标是存储深度，由内存控制器和存储器决定。第四重要指标是触发能力，由触发电路决定。
图2是安捷伦90000A系列示波器的捕获板（90000A示波器包括2块捕获板）。信号通过SMA同轴电缆连接到捕获板的前端上，前端包括衰减器、放大器和一部分触发电路，这些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端电路驱动两颗ADC芯片，每颗ADC芯片的采样速率是20GSa/s,两颗采用交叉采集达到40GSa/s的采样速率。ADC后面是内存控制器IDA，做数据存储分配和一些运算，如幅度、相位补偿，触发抖动补偿等。IDA通过PCI-Express总线与计算机相连。
那么数据传递到计算机后，还要做哪些处理呢？图3是计算机处理结构框图。

图3.示波器的计算机数据处理结构图
采集的数据传递到计算机后，先要进行Sin(x)/x正弦内插，或线性内插进行波形的重建，重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等。最终的结果或原始的样点都可以直接显示到屏幕上。
对选择和使用示波器来说，带宽和采样率是最关键的指标，那么该如何量化计算带宽和采样速率呢？请参考表1。为什么会有这样的结论呢？
请参考下一篇：数字示波器的信号保真度探析。

表1.量化选择示波器的带宽和采样速率