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安捷伦S系列示波器硬件设计剖析

发布日期:2014-09-24 15:42:08 浏览次数:0 我要评论(0) 字号:

安捷伦日前推出新一代示波器---S系列示波器,代表着半导体技术的突破和示波器发展的新方向。InfiniiumS系列示波器在500MHz---8GHz带宽范围内为示波器树立了性能上的新标杆。

InfiniiumS系列示波器使用业内带宽最高采样率最快的10位模数转换器(ADC),垂直分辨率是传统示波器的四倍(因为传统示波器大都采用8位ADC),信号细节的呈现更加精确。结合低噪声前端,S系列示波器的有效位数(ENOB)指标遥遥领先业界,可达8位以上。InfiniiumS系列示波器在500MHz至8GHz带宽范围内提供多种选择、4通道DSO和16逻辑通道MSO等不同的选择,以及业内同类产品最深的存储器:所有通道标配50Mpts存储器,半通道模式下可达到100Mpts,选件可达800Mpts。

S系列示波器配有业界最全面的各种测量应用软件,采用的电脑主机板是8GBRAM配置,能够在所有工作模式下保证快速响应。固态硬盘实现极速启动并增强可靠性。15英寸(38.1cm)多点触控电容屏,不仅显示尺寸为行业之冠,而且在操作体验方面引领业界未来方向。

安捷伦S系列示波器硬件设计剖析

图1、S系列示波器外形

S系列示波器设计的比较简洁,内置一块示波器采集板和一块工控机主板,主板的CPU是Intel的i5四核3GHz处理器,8GB内存,运行嵌入式标准的Windows764位操作系统。示波器采集板是关键部件,如图2所示。采集板使用了20层的PCB,并且使用了低损耗的Rogers板材。使用了单芯片40GSa/sADC(有三种工作模式:单通道40G,双通道20G,四通道10G)使得芯片成本降低到最小(多个ADC需要多个FPGA做内存管理和信号处理,成本相对较高)。下面分别对各个部分进行解剖。

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图2、S系列示波器采集板

11040GSa/s ADC

如图3所示的ADC是业界第一个40GSa/s、10位的ADC,在自定义的33mmBGA封装上封装了2个芯片,左边的是130nm的Bi CMOS buffer IC,右边的是65nm的CMOS(9mmx14mm)的数据转换器。这个ADC可工作在单通道40GSa/s,2通道20GSa/s,4通道10GSa/s模式。这意味着这个ADC不仅仅可以用于S系列示波器,还可以用于更高端的示波器,为接下来发布其他新的示波器打下了一个基础。这个ADC的有效位ENOB可达到8.7位,达到12位的高速数采卡的性能。

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图3、10位40GSa/sADC

以1GHz带宽示波器为例,输入不同测试正弦波的ENOB图表如图4所示(测试时,示波器设置为100mv/div,输入测试正弦波幅度为7.2格)。

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图4、1GHz带宽的有效位

与市场已经有的1GHz高清示波器做比较,有效位结果如图5所示(对比的是LeCroy的HDO6104)。影响有效位的不仅仅是ADC,还有前端放大器,S系列示波器由于设计了低噪声的前端,所以有效位较高。

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图5-1、高清示波器的有效位比较

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图5-2、业界同类示波器的有效位比较

这颗ADC另外一个优点是非线性设计的较好,500MHz时SFDR可以达到-73dBc,不同频率的SFDR见图6所示。

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图6、S系列示波器的SFDR性能

现在业内最高性能的高速数采卡是Agilent的M9703A,12位ADC,1.6GSa/s(交叉3.2GSa/s)采样速率,对于FRF(1GHz带宽选件)的性能指标如图7所示。对比可见,1GHz以内带宽时,S系列示波器与其相当,但是因为有过采样能力,S系列示波器的动态范围还要大些。

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图7、M9703A高速数采卡的ADC性能指标

2、低噪声模拟前端

为了发挥10位ADC的性能,特别设计了一个低噪声模拟前端,这个低噪声前端带宽可达8GHz(对外连接器也是镀金的精密PBNC)。支持50ohm和1Mohm输入路径,并且每个路径都支持带宽限制滤波器,以减少不需要的噪声。在1GHz带宽时,只有90uV的噪声,并且硬件支持2mv/div的垂直灵敏度。使用电子衰减器减少噪声和增加可靠性。并且通过软件软件license可进行带宽升级。放大器,模拟滤波器和带宽升级都通过图中的大的芯片实现,这个芯片是130nmBiiCMOS集成电路。

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图7-1、低噪声模拟前端部件(侧面)

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图7-2、低噪声模拟前端部件(正面)

以业界常见的4GHz带宽示波器为例,低噪声对比如下图8所示。

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图8、4GHz带宽示波器的底噪声对比

3、校验滤波处理

个人认为图1中S系列示波器捕获板圈起来的“新的校验滤波处理FPGA”的位置是错的(这个图是来自美国研发部门),这个FPGA应该与以前示波器一样,在ADC后面,执行内存管理,校验滤波处理,显示刷新加速处理等功能。现在多了一个FPGA,应该未来有更广泛的用途,比如:执行FFT运算,抖动测量运算,函数运算,DDC运算等(只是猜想)。不论如何,S系列示波器更注重使用硬件FPGA进行复杂运算。

按照技术手册上给的说明,现在这些数字信号处理功能包括:硬件加速显示处理(在深内存时,加快缩放时波形更新的速度);频响校验滤波处理;示波器内部可控的带宽限制滤波器(从500MHz带宽到示波器带宽);支持1-3通道和2-4通道的差分处理;执行去嵌入处理(包括:InfiniiSim,精密探头,均衡)。

频响校验滤波是非常重要的,下面做个简要说明。图9-1中是正常的硬件的频响,包括幅度响应和相位响应,硬件设计没法做到理想化。直接使用存硬件对信号的影响可由右边图看出来,会导致波形的失真(相位响应更易产生这样的结果)。

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图9-1、硬件幅度响应和相位响应

通过执行校验滤波器,使得幅度响应和相位响应达到比较理想化的状态,相应波形失真较小,比较好的显示出了原始波形(如9-2的右边图所示)。

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图9-2、通过校验滤波处理后的幅度响应和相位响应

S系列示波器各种型号校验后的频响如图10所示,都达到了比较好的平坦响应的状态。

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图10、S系列示波器各个型号的频响

4、精密时基

S系列示波器使用了新一代的时基(恒温晶体振荡器OCXO),校准后,这个晶体振荡器的精度可达+-100ppb(partsperbillion,不是million),使得深内存时的高精度测量得到保证,抖动测量本底的仪器注入抖动达到100fs。

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图11、新一代精密时基(OCXO)


图12是业界同类仪器的时间精度对比表,可见S系列示波器的时基精度达到了新的数量级,而且是标配的指标。

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图12、业界同类仪器时基精度对比

在这么高的时基精度下,图13给出了测量不同正弦波的抖动测量本底(抖动测量本底与噪声、信号斜率和采样子系统即仪器注入抖动相关,为:sqrt((噪声/斜率)^2+采样子系统抖动^2)。图中输入正弦波的幅度是725mv,仪表设置为120mv/div,时基范围设置为10us。

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图13、TIEVS频率(抖动测量本底)

在软件界面和应用这一块,S系列示波器继承了Z系列示波器(或离线软件)的操作软件人机接口界面,和以前的从物理层到协议层的超过30个应用选件,在此不作一一介绍了。

S系列示波器作为新一代示波器的技术突破点主要是:1)使用10位ADC;2)2倍好的信号完整性:足够低的噪声本底,更高的有效位ENOB和SFDR,更低的仪器注入抖动到100fs;3)垂直灵敏度范围低达2mv/div;4)标配50Mpts/100Mbps存储深度,最高400Mpts/800Mpts存储深度;5)2级硬件触发+infiniiScan触发;6)标配可拆卸SSD,电容触摸屏,降噪滤波器。

作者:孙灯亮

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