【360度看新一代示波器】系列之二：實(shí)現(xiàn)高精度小信號測試，12位示波器“芯“趨勢

在跟工程師的頻頻接觸中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在工程師面臨著新的挑戰(zhàn)，越來越多的場景需要準(zhǔn)確測試高速小信號，傳統(tǒng)的8bit示波器就顯得尷尬，工程師對現(xiàn)有示波器測試結(jié)果有所顧慮。為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數(shù)。

對許多移動電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，低功耗是發(fā)展的趨勢,推動降低待機(jī)電壓或電流。更多的電源要求直流輸出更小的波紋以提高電源效率或有各種類型的低功耗傳感器應(yīng)用在汽車電子，自主機(jī)器人或醫(yī)療電子,涉及到很多小電氣信號轉(zhuǎn)換,這些都是對小幅度信號測量精度要求較高的例子。

考慮到所有這些測試場景，全新4系列MSO的核心是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它提供的垂直分辨率是傳統(tǒng)8位ADC的16倍。與一些示波器供應(yīng)商不同，它們的12位垂直分辨率是通過DSP計(jì)算獲得的，而不是通過硬件ADC實(shí)現(xiàn)的真正的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換。泰克真正的12位ADC構(gòu)建在泰克Tek049 ASIC上。

4系列MSO的用戶不僅擁有真正的12位ADC，還可以應(yīng)用一種全新的高分辨率模式，即基于硬件的獨(dú)特的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，根據(jù)所選擇的采樣速率進(jìn)一步提高垂直分辨率。FIR濾波器保持該采樣率的最大帶寬，同時(shí)防止混疊和消除來自示波器放大器和ADC的噪聲，高于所選采樣率的可用帶寬。高分辨率模式始終提供至少12位垂直分辨率，并在≤125 MS/s 采樣率的情況下擴(kuò)展到16位垂直分辨率。

如何解決小信號測試精準(zhǔn)度問題?

泰克以新一代示波器4系、5系、6系來面對，其硬件均采用12位ADC來實(shí)現(xiàn)無與倫比的分辨率，幫助工程師捕獲微小信號。這要?dú)w功于Tek049芯片，這顆新型ASIC作為泰克未來示波器的核心，支持高清觸摸屏顯示器、最多8個(gè)FlexChannel輸入、12位垂直分辨率等，為現(xiàn)代工程師設(shè)計(jì)所需的下一代示波器提供動力。

Tek049是泰克最新研制的一種ASIC(專用集成電路)，這是一種高度集成的芯片系統(tǒng)(SOC)混合信號ASIC，含有4億個(gè)晶體管和20億個(gè)連接，構(gòu)成了4個(gè)內(nèi)部ADCs(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和集成DSP(數(shù)字信號處理器)。Tek049采用40nm RF CMOS工藝制造，采用1927針精細(xì)間隙球柵陣列封裝，打造出泰克新一代示波器獨(dú)有的芯片。

圖1 Tek049芯片

新型12位ADC是目前世界上速度最快的轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部運(yùn)行速率達(dá)25GS/s，每通道采樣率要比以前的同類示波器高出25%。12位實(shí)現(xiàn)了4096種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換電平，分辨率比采用8位ADC的示波器高出16倍。每條ADC通道基于交織連續(xù)接近寄存器(SAR)結(jié)構(gòu)，每塊Tek049芯片包括四個(gè)ADCs，實(shí)現(xiàn)了100GS/s的總吞吐量。

12bit示波器成為“芯”趨勢

電源設(shè)計(jì)工程師，面臨著更多微小信號測試的場景。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用，很多電源紋波已經(jīng)變得很小，尤其是板級設(shè)計(jì)電源軌紋波測試從幾十mV到現(xiàn)在的十幾mV甚至幾個(gè)mV，傳統(tǒng)的8bit示波器已經(jīng)不能滿足測試需求。

比如開關(guān)器件系統(tǒng)調(diào)試中，工程師會比較關(guān)注開關(guān)邊沿的震蕩信號，這需要示波器在保證垂直方向滿足大量程的情況下，同時(shí)具備足夠的分辨率保證能夠捕捉到窄幅震蕩信號的細(xì)節(jié)。

圖2.利用8位和12位示波器測試開關(guān)管導(dǎo)通信號

圖2顯示的是用不同垂直分辨率的示波器測試同一個(gè)開關(guān)電路開關(guān)導(dǎo)通瞬間震蕩波形的對比。為測試完整的波形，需要對示波器設(shè)定選擇一個(gè)較大的量程;同時(shí)工程師需要對邊沿的震蕩放大以對細(xì)節(jié)進(jìn)行觀測。圖3和圖4是這兩臺示波器在同樣設(shè)置條件下(250MSa/s采樣率，10k樣點(diǎn)，2V每格)實(shí)際測試結(jié)果?？梢奙DO4000C示波器(8位)測試結(jié)果，因?yàn)槠浯怪狈直媛实南拗?，放大后出現(xiàn)明顯的量化臺階，基本無法進(jìn)行分析;而泰克全新4系列MSO示波器(12位)捕獲的波形，放大后仍能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)震蕩信號的細(xì)節(jié)。

圖3.MDO4000C示波器(8bit)測試結(jié)果?

圖4.全新4系列MSO示波器(12bit)測試結(jié)果

示波器12位ADC已經(jīng)成為測試行業(yè)的趨勢，泰克新一代12位示波器大大增加了工程師的測試信心，也為工程師提供了準(zhǔn)確測試高速信號的方法。