寬帶等效取樣示波器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，被測信號(hào)的頻率范圍越來越寬，這就需要更高采樣率來獲取被測信號(hào)波形。近年來基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digtal Converter, ADC）的實(shí)時(shí)采樣技術(shù)取得了長足發(fā)展，但依然在許多領(lǐng)域不能滿足需求。等效取樣技術(shù)利用較低的實(shí)時(shí)采樣率實(shí)現(xiàn)非常高的等效采樣率，能夠彌補(bǔ)實(shí)時(shí)采樣技術(shù)的不足，在寬帶信號(hào)測試中有著廣泛的應(yīng)用。例如利用等效取樣示波器可對微波信號(hào)、光波信號(hào)、高速脈沖信號(hào)以及時(shí)域反射波形等寬帶信號(hào)

2、進(jìn)行測試。
　　等效采樣包括隨機(jī)等效采樣和順序等效采樣兩大類方法，其中隨機(jī)等效采樣能夠獲取預(yù)觸發(fā)信息，具有更為廣泛的應(yīng)用，長時(shí)間以來一直是國內(nèi)外學(xué)者和工程師的研究內(nèi)容。然而傳統(tǒng)的隨機(jī)等效采樣方法在水平掃描速度增加，時(shí)間觀察窗口變窄的情況下，存在波形重構(gòu)時(shí)間長，且等效采樣率難以提升的問題，此外，信號(hào)前端調(diào)理電路帶寬不足也限制了被測信號(hào)帶寬。這些因素限制了隨機(jī)等效采樣技術(shù)在寬帶信號(hào)測試領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
　　如何實(shí)現(xiàn)更高的等效采

3、樣率，對更高寬帶的輸入信號(hào)進(jìn)行精確的波形重構(gòu)是本文的主要研究內(nèi)容。結(jié)合攻讀博士學(xué)位期間參與的國家自然科學(xué)基金等相關(guān)項(xiàng)目，本文主要從以下方面展開研究：
　　1、根據(jù)隨機(jī)等效采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，分析了制約等效采樣率提高的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：時(shí)間間隔測量分辨率和波形重構(gòu)效率。在分析了多通道并行隨機(jī)采樣模型的基礎(chǔ)上，給出了提高等效采樣波形重構(gòu)效率的方法；分析了利用寬帶采樣保持器提升系統(tǒng)輸入帶寬的理論依據(jù)，并討論了時(shí)鐘抖動(dòng)在隨機(jī)等效采樣中的影響

4、，以及提高重構(gòu)波形信噪比的數(shù)據(jù)處理方法。
　　2、寬帶信號(hào)調(diào)理通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。介紹了寬帶模擬前端的組成結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了基于分離路徑原理的阻抗變換電路參數(shù)確定方法，針對現(xiàn)有阻抗變換電路的不足，提出了一種基于程控電流源結(jié)構(gòu)的阻抗變換電路，實(shí)現(xiàn)了程控校準(zhǔn)，提高了帶負(fù)載的適應(yīng)能力。討論了頻率響應(yīng)特性與瞬態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)系，并在模擬通道硬件頻域補(bǔ)償研究基礎(chǔ)上，分別對信號(hào)調(diào)理單元各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行頻率補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了DC~4GHz的寬帶信號(hào)調(diào)理通道。分

5、析了等效采樣波形重構(gòu)對觸發(fā)信號(hào)的特殊要求，討論了觸發(fā)信號(hào)頻率與波形重構(gòu)的關(guān)系，給出了一種寬帶觸發(fā)通道實(shí)現(xiàn)方案。
　　3、低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。分析了時(shí)鐘信號(hào)對采樣系統(tǒng)的性能影響，結(jié)合隨機(jī)采樣系統(tǒng)中高速采樣保持器和多通道高速ADC時(shí)鐘電路的需求，研究了低抖動(dòng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，分別研究實(shí)現(xiàn)了基于倍頻原理的4GHz飛秒級低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘，和基于鎖相環(huán)原理的2.5GHz飛秒級低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘。測試結(jié)果表明基于倍頻原理的采樣時(shí)鐘

6、抖動(dòng)可達(dá)21飛秒，而基于鎖相環(huán)原理的采樣時(shí)鐘，抖動(dòng)也小于150飛秒。
　　4、基于時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換（Time-to-Amplitude Converter, TAC）原理的高分辨率時(shí)間間隔測量技術(shù)研究。高分辨率時(shí)間間隔測量技術(shù)是波形重構(gòu)的關(guān)鍵，時(shí)間測量分辨率決定了最高等效采樣率。分析了TAC電路的噪聲模型，指出了低噪聲恒流源是影響TAC電路測量精度的關(guān)鍵，推導(dǎo)了影響測量精度的數(shù)學(xué)公式，并給出了低噪聲TAC電路的設(shè)計(jì)方法。在米勒積分型T

7、AC的研究基礎(chǔ)上，針對時(shí)間間隔測量速度慢，嚴(yán)重影響波形重構(gòu)速度的問題，提出了一種基于雙恒流源結(jié)構(gòu)的 TAC電路，在保證測量精度的情況下，大大提高了測量速度。最后分析了TAC電路受環(huán)境溫度影響的原因，給出了一種有效的校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)的時(shí)間測量標(biāo)準(zhǔn)差小于1.5皮秒。
　　5、基于多通道并行隨機(jī)等效采樣結(jié)構(gòu)，結(jié)合研究的寬帶信號(hào)調(diào)理技術(shù)、低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘技術(shù)以及高分辨率時(shí)間間隔測量技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1TSPS等效采樣率，4GHz帶寬的隨機(jī)取樣示