介紹

模塊化數(shù)字化儀和類似的測量儀器（如圖1所示的Spectrum M4i系列）需要將各種信號特性與內(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設(shè)備的負(fù)載并提供適當(dāng)?shù)鸟詈?。另外,，還需要進(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。每個輸入通道都有自己的前端（綠色陰影部分）,，可以獨立設(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減少諧波分量（如果存在）,。

4. 多個輸入范圍，可以捕獲輸入信號電平的大范圍變化,，同時將噪聲和失真降至最低,，以保持信號完整性。

5. 內(nèi)部校準(zhǔn),，最大程度地提高準(zhǔn)確性,。

輸入端接

測量儀器應(yīng)正確終止信號源。對于大多數(shù)射頻（RF）測量,，通常為50Ω端接,。匹配的端接會使反射引起的信號損失最小。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，這會進(jìn)一步增加負(fù)載阻抗。通過將1MΩ端接與外部600Ω端接相結(jié)合,，可以實現(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的完整性，在設(shè)計選擇輸入阻抗時需要進(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,。如果您需要一個高阻抗終端或同時具有50Ω和50Ω的高阻抗終端，需要確認(rèn)制造商是否提供,。Spectrum M4i系列旨在為用戶提供輸入端接的選擇,，同時保持最高水平的信號完整性。

輸入耦合

測量儀器中的輸入耦合將測量儀器交流或直流耦合到電源,。直流耦合顯示整個信號,，包括直流偏移（非零均值信號）。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量,。如果沒有交流耦合，則直流輸出將需要較大的信號衰減,，難以精確測量紋波,。通過交流耦合，可以使用更高的輸入靈敏度,，從而更好地測量紋波分量,。

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點下限）。這決定了交流耦合將低頻信號衰減到多少,。它還與恢復(fù)時間有關(guān),，即應(yīng)用于儀器的DC電平改變后，輸入電平穩(wěn)定所需的時間,。通常,，截止頻率越低，耦合電容器越大,，建立時間越長,。

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，因為具有固定耦合的數(shù)字化儀不必處理繼電器或開關(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)測量需求發(fā)生變化時,，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,。最簡單的接口是具有與ADC相匹配的固定輸入范圍的單個輸入。盡管簡單,，除非單個范圍恰好是您要使用的范圍,，否則在測量儀器中是不實用的。為了使輸入信號擺幅進(jìn)入ADC范圍,，需要使用衰減器或放大器,。

衰減器是一個簡單的分壓器，通常是電阻分壓器,，可減小輸入信號的幅度,。使用優(yōu)質(zhì)組件設(shè)計時，通常不會顯著降低信號完整性,。衰減器位于信號路徑中時,，出現(xiàn)的一個問題是儀器內(nèi)部噪聲幅度隨前端衰減而縮放（相對于衰減器的輸入）。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量程范圍的相對百分比,。

放大器是另一回事。即使設(shè)計得當(dāng),，它們通常也會將噪聲引入信號路徑,。數(shù)字化儀的內(nèi)部噪聲在參考輸入時會因放大器的增益而降低，在某種程度上可以彌補(bǔ)這一點,。放大器還會引入失真,，進(jìn)一步降低信號的完整性。放大器的另一個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)計中的關(guān)鍵領(lǐng)域,，因為它對信號完整性有很大的影響,。同時,，為用戶提供了更大的靈活性，將可用信號幅度與數(shù)字化儀輸入范圍進(jìn)行匹配,。供應(yīng)商提供了多種方法,，從提供單個固定輸入范圍（將數(shù)字化儀制造商的設(shè)計工作轉(zhuǎn)移到需要自己進(jìn)行正確放大的最終用戶）到提供多個輸入路徑，它們的變化不盡相同,。多個輸入路徑結(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、最佳信號完整性和固定的50Ω端接,。圖3中的框圖顯示了頻譜檢測的體系結(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)過優(yōu)化,，可提供最佳帶寬和最佳信號保真度,。緩沖路徑通過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,。用戶可以選擇最符合其測量要求的輸入路徑,。表1比較了14位500MS/s版本（M4i.445x）的每個路徑的特性。

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,，我們正在查看每個路徑中的單個步驟（請注意，已為每個路徑選擇了相鄰的步驟,，因此它們不會重疊）,。

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

請注意，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)計經(jīng)過優(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，則會“卡在”噪聲水平較高的級別,。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兩個信號路徑之間噪聲電平差異的量化,。應(yīng)當(dāng)注意,，兩個響應(yīng)也都包含來自信號源和數(shù)字化儀的噪聲分量。

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

圖6 高頻路徑與緩沖路徑的快速傅里葉變換

關(guān)于改善信號完整性的一些建議

無論選擇哪種信號路徑，都有一些常規(guī)規(guī)則來幫助獲得最佳信號完整性,。首先是盡可能多地使用輸入范圍,。如果信號幅度穩(wěn)定，則選擇至少使用該范圍90％的輸入范圍,。不要過驅(qū)動ADC,。如果超出滿量程范圍，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。如果輸入信號中內(nèi)容沒有高于20MHz,，則使用濾波器通過降低20MHz以上的噪聲來提高采集信號的信噪比,。

內(nèi)置校準(zhǔn)

Spectrum的所有模塊化數(shù)字化儀通道在出廠前均經(jīng)過工廠校準(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)動程序提供了例行程序，用于對所有輸入范圍進(jìn)行自動板載偏移和增益校準(zhǔn)（僅限緩沖信號）的緩沖信號路徑,。每個數(shù)字化卡均包含一個高精度的內(nèi)置校準(zhǔn)參考,。這是一項出色的功能，可在環(huán)境變化和老化的情況下幫助保持?jǐn)?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)的測量,。多個輸入范圍,、AC/DC耦合,、濾波和內(nèi)置校準(zhǔn)都有助于確保最大的信號完整性和準(zhǔn)確性,。精心設(shè)計的前端將允許用戶適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸入信號,，確保其覆蓋盡可能多的ADC范圍，而不會過驅(qū)動它,。只有這樣,，數(shù)字化儀才能達(dá)到最佳的測量精度和精度。

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