如何正確使用數(shù)字化儀前端信號(hào)調(diào)理？（一）

一、前言

板卡式的數(shù)字轉(zhuǎn)換器和類似測(cè)量?jī)x器，比如圖1所示的德思特TS-M4i系列，都需要為各種各樣的特性信號(hào)與內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的固定輸入范圍做匹配。

圖1：德思特TS-M4i系列高速數(shù)字化儀，包括2或4通道版本，分辨率可選14或16位

數(shù)字化儀前端一般還需要盡量減少待測(cè)設(shè)備的負(fù)載情況，并提供恰當(dāng)?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合。此外，還可能需要進(jìn)行濾波以減少寬帶噪聲的影響。而對(duì)于德思特?cái)?shù)字化儀，所有這些特性都是板卡內(nèi)置的“前端”提供的，這個(gè)“前端”包括了從輸入端口到ADC之間的所有電路。用戶只需要理解并權(quán)衡著使用這些功能特性，就能有效地利用起我們的數(shù)字化儀了。

作為例子，圖2顯示了德思特TS-M4i系列板卡式數(shù)字化儀的硬件架構(gòu)框圖。每個(gè)輸入通道都有自己的獨(dú)立前端（用綠色底色表示），并可以獨(dú)立進(jìn)行設(shè)置。前端提供適當(dāng)?shù)妮斎腭詈?、終端負(fù)載、量程切換模塊以及帶通濾波。

圖2：德思特TS-M4i系列14/16位數(shù)字化儀的硬件架構(gòu)

今天將先為您介紹數(shù)字化儀前端電路所需的特性以及使用過(guò)程中需要的輸入抗阻和輸入耦合。

二、前端特性

為了使數(shù)字化儀能匹配盡可能多的使用場(chǎng)景，需要前端電路具備以下能力：

1. 提供終端阻抗選項(xiàng)以進(jìn)行阻抗匹配，或在高阻抗輸入時(shí)盡量減小待測(cè)件負(fù)載

2. 根據(jù)場(chǎng)景需要提供交流或直流耦合的選擇

3. 提供濾波，用于盡量降低噪聲并減少存在的諧波成分

4. 提供多種輸入范圍選擇，以捕獲不同電平的輸入信號(hào)，減小噪聲和失真，并保持信號(hào)完整性

5. 內(nèi)置校準(zhǔn)源，以便及時(shí)校準(zhǔn)

三、輸入抗阻

測(cè)量?jī)x器應(yīng)適當(dāng)?shù)貫樵葱盘?hào)提供終端負(fù)載。對(duì)于大多數(shù)射頻（RF）測(cè)量，通常是一個(gè)50Ω的終端負(fù)載。匹配負(fù)載可以使反射造成的信號(hào)損失最小化。50Ω阻抗匹配會(huì)對(duì)反射損耗和電壓駐波比（VSWR）參數(shù)產(chǎn)生正面影響。因此，這兩個(gè)指標(biāo)中的任何一個(gè)都可以指示阻抗匹配的質(zhì)量。

如果信源設(shè)備具有較高的輸出阻抗，則更適合與一個(gè)1 MΩ（兆歐姆）高阻抗終端負(fù)載匹配，這可以盡量減少電路負(fù)載。1 MΩ的終端負(fù)載也可以搭配使用高阻抗的示波器探頭，這將進(jìn)一步增加負(fù)載端輸入阻抗。如果要匹配其他標(biāo)準(zhǔn)阻抗，例如音頻領(lǐng)域常見(jiàn)的600Ω阻抗，我們可以把測(cè)量端儀器的輸入阻抗設(shè)為1 MΩ，然后在外部并聯(lián)一個(gè)600Ω的終端電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。

由于在儀器設(shè)計(jì)時(shí)，提供輸入阻抗選項(xiàng)往往存在用戶便利性和信號(hào)完整性之間的工程權(quán)衡，因此一些數(shù)字化儀廠商會(huì)只提供50Ω的終端負(fù)載。如果用戶應(yīng)用需要用到高阻抗終端負(fù)載，或同時(shí)具有高阻抗和50Ω選項(xiàng)，則建議向制造商詢問(wèn)參數(shù)確認(rèn)是否提供。而德思特的TS-M4i系列標(biāo)準(zhǔn)版就已經(jīng)設(shè)計(jì)為可提供輸入負(fù)載選項(xiàng)，同時(shí)還保持了優(yōu)秀的信號(hào)完整性水平。

四、輸入耦合

測(cè)量?jī)x器中的輸入耦合選項(xiàng)提供了將測(cè)量?jī)x器與信號(hào)源AC或DC耦合的能力。DC耦合用于檢測(cè)整個(gè)信號(hào)，包括其中可能存在的DC偏置（非零均值信號(hào)）。AC耦合可消除任何穩(wěn)態(tài)平均值（DC分量）。AC耦合對(duì)例如在直流電源輸出上的紋波測(cè)量等應(yīng)用非常有用。如果沒(méi)有AC耦合，直流電源的輸出電壓將需要用更大的信號(hào)衰減比接入到測(cè)量?jī)x器中，這將使紋波部分更難準(zhǔn)確測(cè)量；反之，使用AC耦合可以使用更高的輸入靈敏度，從而獲得更好的紋波成分測(cè)量。

AC耦合的關(guān)鍵參數(shù)是其AC耦合頻率響應(yīng)的低頻截止點(diǎn)（低-3 dB點(diǎn)）。這決定了低頻信號(hào)將被AC耦合衰減多少。它還與恢復(fù)時(shí)間有關(guān)，即待測(cè)信號(hào)一旦發(fā)生變化，實(shí)際輸入電平落后于DC分量發(fā)生變化的穩(wěn)定所需時(shí)間。通常，截止頻率越低，耦合電容器就越大，恢復(fù)時(shí)間也越長(zhǎng)。一些數(shù)字化儀只提供AC或DC耦合，而不是提供兩種可選項(xiàng)。這同樣是為了減少儀器復(fù)雜性而進(jìn)行的工程權(quán)衡，因?yàn)榫哂泄潭詈戏绞降臄?shù)字化儀無(wú)需包含繼電器或開關(guān)等組件。最終，是否需要可選的耦合選項(xiàng)還是取決于用戶的具體適用場(chǎng)景。當(dāng)然，可選的耦合方式在測(cè)量需求發(fā)生變化時(shí)，能提供更大的靈活性。

END

在下期文章中，我們將繼續(xù)為您介紹數(shù)字化儀前端信號(hào)調(diào)理的使用過(guò)程中所需的輸入電壓范圍，與您分享一些改善信號(hào)完整性的小技巧以及數(shù)字化儀的內(nèi)置校準(zhǔn)功能。

關(guān)于德思特

德思特是原虹科測(cè)試測(cè)量事業(yè)部孵化出來(lái)的獨(dú)立公司，基于超過(guò)10年的業(yè)務(wù)沉淀，德思特公司專注提供電子測(cè)試/測(cè)量解決方案。主要業(yè)務(wù)范圍涵蓋：汽車電子仿真及測(cè)試、射頻微波及無(wú)線通信測(cè)試、無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)與規(guī)劃、無(wú)線通信（包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車無(wú)線通信、軌道交通、衛(wèi)星通信、室內(nèi)無(wú)線通信）、半導(dǎo)體測(cè)試、PNT解決方案、大物理和光電測(cè)試等。

核心成員具有9年以上的測(cè)試測(cè)量、無(wú)線通信及其他相關(guān)行業(yè)資歷；技術(shù)團(tuán)隊(duì)獲得世界五百?gòu)?qiáng)PNT解決方案合作伙伴Safran的GNSS技術(shù)及信號(hào)仿真和軟件Skydel培訓(xùn)認(rèn)證證書、航空航天測(cè)試和測(cè)量合作伙伴Marvin Test 的自動(dòng)化測(cè)試軟件ATEasy培訓(xùn)認(rèn)證證書。

德思特研發(fā)部，核心成員獲得國(guó)際項(xiàng)目管理師PMP認(rèn)證資質(zhì)，并具備LabVIEW、python等多種編程語(yǔ)言能力，優(yōu)勢(shì)能力集中于：HIL測(cè)試，半導(dǎo)體測(cè)試，EOL測(cè)試和質(zhì)量檢測(cè)等多種系統(tǒng)研發(fā)集成，擁有10多個(gè)實(shí)用新型和專利授權(quán)。

圍繞汽車電子、射頻微波、通信、航空航天等行業(yè)提供專業(yè)可靠的解決方案，現(xiàn)有客戶包括華為、德賽西威、蔚來(lái)汽車、理想汽車、航天科工集團(tuán)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中電科集團(tuán)等。

此外，我們還是中國(guó)無(wú)線電協(xié)會(huì)、中國(guó)通信企業(yè)協(xié)會(huì)、雷達(dá)行業(yè)協(xié)會(huì)、RIS智能超表面技術(shù)協(xié)會(huì)等行業(yè)協(xié)會(huì)的會(huì)員。

審核編輯 黃宇