【360度看新一代示波器】系列之二: 實現高精度小信號測試,12位示波器“芯“趨勢

2019-09-27 08:10:00 來源:EEFOCUS
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在跟工程師的頻頻接觸中發現,現在工程師面臨著新的挑戰,越來越多的場景需要準確測試高速小信號,傳統的8bit示波器就顯得尷尬,工程師對現有示波器測試結果有所顧慮。為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數。

 

對許多移動電子產品設計,低功耗是發展的趨勢,推動降低待機電壓或電流。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用在汽車電子,自主機器人或醫療電子,涉及到很多小電氣信號轉換,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位模數轉換器(ADC),它提供的垂直分辨率是傳統8位ADC的16倍。與一些示波器供應商不同,它們的12位垂直分辨率是通過DSP計算獲得的,而不是通過硬件ADC實現的真正的12位模數轉換。泰克真正的12位ADC構建在泰克Tek049 ASIC上。

 

4系列MSO的用戶不僅擁有真正的12位ADC,還可以應用一種全新的高分辨率模式,即基于硬件的獨特的有限脈沖響應(FIR)濾波器,根據所選擇的采樣速率進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 采樣率的情況下擴展到16位垂直分辨率。

 

如何解決小信號測試精準度問題?

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來實現無與倫比的分辨率,幫助工程師捕獲微小信號。這要歸功于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FlexChannel輸入、12位垂直分辨率等,為現代工程師設計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(SOC)混合信號ASIC,含有4 億個晶體管和20 億個連接,構成了4 個內部ADCs ( 模數轉換器) 和集成DSP ( 數字信號處理器)。Tek049 采用40 nm RF CMOS 工藝制造,采用1927 針精細間隙球柵陣列封裝,打造出泰克新一代示波器獨有的芯片。

 


圖1 Tek049芯片

 

新型12 位ADC 是目前世界上速度最快的轉換器,內部運行速率達25 GS/s,每通道采樣率要比以前的同類示波器高出25%。12 位實現了4096 種垂直模數轉換電平,分辨率比采用8 位ADC 的示波器高出16 倍。每條ADC通道基于交織連續接近寄存器(SAR) 結構,每塊Tek049 芯片包括四個ADCs,實現了100 GS/s 的總吞吐量。

 

12bit示波器成為“芯”趨勢

電源設計工程師,面臨著更多微小信號測試的場景。隨著電力電子技術發展及應用,很多電源紋波已經變得很小,尤其是板級設計電源軌紋波測試從幾十mV到現在的十幾mV甚至幾個mV,傳統的8bit示波器已經不能滿足測試需求。

 

比如開關器件系統調試中,工程師會比較關注開關邊沿的震蕩信號,這需要示波器在保證垂直方向滿足大量程的情況下,同時具備足夠的分辨率保證能夠捕捉到窄幅震蕩信號的細節。

 


圖2 利用8位和12位示波器測試開關管導通信號

 

圖2顯示的是用不同垂直分辨率的示波器測試同一個開關電路開關導通瞬間震蕩波形的對比。為測試完整的波形,需要對示波器設定選擇一個較大的量程;同時工程師需要對邊沿的震蕩放大以對細節進行觀測。圖3和圖4是這兩臺示波器在同樣設置條件下(250MSa/s采樣率,10k樣點,2V每格)實際測試結果。可見MDO4000C示波器(8位)測試結果,因為其垂直分辨率的限制,放大后出現明顯的量化臺階,基本無法進行分析;而泰克全新4系列MSO示波器(12位)捕獲的波形,放大后仍能準確復現震蕩信號的細節。

 

                    

圖3. MDO4000C示波器(8bit)測試結果        

 

圖4. 全新4系列MSO示波器(12bit)測試結果

 
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