寬帶等效取樣示波器關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代電子技術的快速發(fā)展，被測信號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波形。近年來基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digtal Converter, ADC）的實時采樣技術取得了長足發(fā)展，但依然在許多領域不能滿足需求。等效取樣技術利用較低的實時采樣率實現(xiàn)非常高的等效采樣率，能夠彌補實時采樣技術的不足，在寬帶信號測試中有著廣泛的應用。例如利用等效取樣示波器可對微波信號、光波信號、高速脈沖信號以及時域反射波形等寬帶信號

2、進行測試。
　　等效采樣包括隨機等效采樣和順序等效采樣兩大類方法，其中隨機等效采樣能夠獲取預觸發(fā)信息，具有更為廣泛的應用，長時間以來一直是國內(nèi)外學者和工程師的研究內(nèi)容。然而傳統(tǒng)的隨機等效采樣方法在水平掃描速度增加，時間觀察窗口變窄的情況下，存在波形重構時間長，且等效采樣率難以提升的問題，此外，信號前端調(diào)理電路帶寬不足也限制了被測信號帶寬。這些因素限制了隨機等效采樣技術在寬帶信號測試領域的進一步應用。
　　如何實現(xiàn)更高的等效采

3、樣率，對更高寬帶的輸入信號進行精確的波形重構是本文的主要研究內(nèi)容。結合攻讀博士學位期間參與的國家自然科學基金等相關項目，本文主要從以下方面展開研究：
　　1、根據(jù)隨機等效采樣系統(tǒng)的結構和原理，分析了制約等效采樣率提高的兩個關鍵環(huán)節(jié)：時間間隔測量分辨率和波形重構效率。在分析了多通道并行隨機采樣模型的基礎上，給出了提高等效采樣波形重構效率的方法；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)，并討論了時鐘抖動在隨機等效采樣中的影響

4、，以及提高重構波形信噪比的數(shù)據(jù)處理方法。
　　2、寬帶信號調(diào)理通道的設計與實現(xiàn)。介紹了寬帶模擬前端的組成結構，詳細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構的阻抗變換電路，實現(xiàn)了程控校準，提高了帶負載的適應能力。討論了頻率響應特性與瞬態(tài)響應特性的關系，并在模擬通道硬件頻域補償研究基礎上，分別對信號調(diào)理單元各個環(huán)節(jié)進行頻率補償，實現(xiàn)了DC~4GHz的寬帶信號調(diào)理通道。分

5、析了等效采樣波形重構對觸發(fā)信號的特殊要求，討論了觸發(fā)信號頻率與波形重構的關系，給出了一種寬帶觸發(fā)通道實現(xiàn)方案。
　　3、低抖動采樣時鐘電路設計與實現(xiàn)。分析了時鐘信號對采樣系統(tǒng)的性能影響，結合隨機采樣系統(tǒng)中高速采樣保持器和多通道高速ADC時鐘電路的需求，研究了低抖動時鐘設計方法。在此基礎上，分別研究實現(xiàn)了基于倍頻原理的4GHz飛秒級低抖動采樣時鐘，和基于鎖相環(huán)原理的2.5GHz飛秒級低抖動采樣時鐘。測試結果表明基于倍頻原理的采樣時鐘

6、抖動可達21飛秒，而基于鎖相環(huán)原理的采樣時鐘，抖動也小于150飛秒。
　　4、基于時間幅度轉(zhuǎn)換（Time-to-Amplitude Converter, TAC）原理的高分辨率時間間隔測量技術研究。高分辨率時間間隔測量技術是波形重構的關鍵，時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電路測量精度的關鍵，推導了影響測量精度的數(shù)學公式，并給出了低噪聲TAC電路的設計方法。在米勒積分型T

7、AC的研究基礎上，針對時間間隔測量速度慢，嚴重影響波形重構速度的問題，提出了一種基于雙恒流源結構的 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方法，實現(xiàn)的時間測量標準差小于1.5皮秒。
　　5、基于多通道并行隨機等效采樣結構，結合研究的寬帶信號調(diào)理技術、低抖動采樣時鐘技術以及高分辨率時間間隔測量技術，設計實現(xiàn)了1TSPS等效采樣率，4GHz帶寬的隨機取樣示