如何制造出具有更高采樣率的示波器？

當(dāng) ADC 技術(shù)已經(jīng)在最大采樣率方面達(dá)到限制時(shí)，示波器廠商如何制造出具有更高采樣率的示波器？追求更高采樣率或許只是想滿足示波器用戶對于“越高越好”的認(rèn)知，或者用戶認(rèn)為若要獲得更高的帶寬實(shí)時(shí)示波器測量效果，實(shí)際上可能需要更高的采樣率。但是，若使示波器具有更高的采樣率，并非像選擇具有更高采樣率的現(xiàn)成模數(shù)轉(zhuǎn)換器那樣簡單。

所有主要示波器廠商均采用一種常見的技術(shù)，即交叉多個(gè)實(shí)時(shí) ADC。但是，請不要將此交叉采樣的技術(shù)與重復(fù)采集技術(shù)相混淆，我們將后者稱之為“等效時(shí)間”采樣。

圖 1 顯示由兩個(gè) ADC 利用相位延遲采樣技術(shù)構(gòu)成的實(shí)時(shí)交叉 ADC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在本例中，ADC 2 一律對 ADC 1 采樣之后的 ? 時(shí)鐘周期進(jìn)行采樣。在每個(gè)實(shí)時(shí)采集周期完成后，示波器的 CPU 或波形處理 ASIC 會(huì)對存儲(chǔ)在每個(gè) ADC 采集存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，然后交叉樣本以獲得實(shí)時(shí)的數(shù)字化波形，且樣本密度也會(huì)翻倍（是采樣率的兩倍）。

具有實(shí)時(shí)交叉采樣特征的示波器必須遵守兩個(gè)要求。一是，若要實(shí)現(xiàn)無失真的準(zhǔn)確交叉，每個(gè) ADC 的垂直增益、偏移和頻率響應(yīng)必須嚴(yán)格匹配。其二，必須對相位延遲時(shí)鐘進(jìn)行高精度的校準(zhǔn)，以滿足 Nyquist 規(guī)則二的要求，即等間隔采樣。換句話說，ADC 2 的取樣時(shí)鐘必須在樣品 ADC 1 之后精確地延遲 180 度。這兩個(gè)條件對于準(zhǔn)確交叉都非常重要。但是，為了對因交叉不良而導(dǎo)致的錯(cuò)誤有更直觀的理解，后文將重點(diǎn)分析僅因相位延遲定時(shí)不佳而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

圖 1：由兩個(gè)交叉 ADC 構(gòu)成的實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)

圖 2 中所示的定時(shí)圖說明，如果兩個(gè)交錯(cuò)的 ADC 相位延遲時(shí)鐘系統(tǒng)彼此之間沒有呈現(xiàn)精確的 ? 采樣周期延遲，則交錯(cuò)采樣會(huì)出現(xiàn)定時(shí)誤差。此圖顯示了實(shí)時(shí)數(shù)字化的點(diǎn)（紅點(diǎn)）相對于輸入信號進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)換的位置。但是，由于對相位延遲定時(shí)校準(zhǔn)不理想（紫色波形），這些數(shù)字化的點(diǎn)沒有進(jìn)行等間隔采樣，因此也就違背了 Nyquist 的第二條規(guī)則。

當(dāng)示波器的波形處理引擎對每個(gè) ADC 采集存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時(shí)，首先會(huì)假設(shè)每個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中的采樣數(shù)據(jù)為等間隔采樣。當(dāng)您嘗試著對初始輸入信號的形狀進(jìn)行重建時(shí)，示波器 Sin（x）/x 重建濾波器所表示的信號將出現(xiàn)嚴(yán)重失真（如圖 3 所示）。

由于輸入信號與示波器取樣時(shí)鐘之間的相位關(guān)系是隨機(jī)的，當(dāng)您查看重復(fù)采集時(shí)，實(shí)時(shí)采集失真（有時(shí)稱為“采樣噪聲”）可能會(huì)被誤釋為隨機(jī)噪聲。但該相位關(guān)系也不完全是隨機(jī)的，也具有一定的確定性，且與示波器的取樣時(shí)鐘直接相關(guān)。

圖 2：非等間隔采樣的定時(shí)圖

圖 3：該定時(shí)圖顯示了因相位延遲定時(shí)不佳而造成失真的波形，使用 Sin（x）/x 濾波器對其進(jìn)行重建
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