高带宽示波器制造技术

在优选实施例中，一种用于提高示波器的带宽的方法包括：使用频率上转换和下转换技术来实现显著超过只通过交织可取得的带宽的系统带宽。在一示例性实施例中，该技术包括将输入信号分离成高频成分和低频成分，下转换模拟域中的高频成分使得该高频成分可由示波器的模拟前端处理，数字化低频成分和经下转换的高频成分，并从数字化的低频成分和高频成分形成所接收模拟信号的数字表示。以此方式，优选实施例实现了可将带宽提高到超出与交织以及放大器和ＡＤＣ设计的技术水平相关联的限制的显著优点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高带宽示波器相关申请的交叉引用本申请要求i)由Pupalaikis于2004年11月18日提交的题为High Bandwidth Oscilloscope (高带宽示波器)的美国临时专利申请60/629,050、ii)由 Pupalaikis等人于2005年2月25日提交的题为The Digital Heterodyning Oscilloscope (数字外差作用示波器)的美国临时专利申请60/656,865、 iii)由 Mueller等人于2005年2月25日提交的题为Method and Apparatus for Spurious Tone Reduction in Systems of Mismatched Interleaved Digitizers (用于减少失配 交织数字化仪的系统中的乱真音调的方法和装置)的美国临时专利申请 60/656,616的优先权。本申请还是由Pupalaikis等人于2003年10月24日提交 的序列号为10/693,188、题为High Bandwidth Real Time Oscilloscope (高带宽 实时示波器)的美国专利申请的部分继续申请，该专利申请要求由Pupalaikis 等人于2004年10月24日提交的题为High Bandwidth Real Time Oscilloscope (高带宽实时示波器)的美国临时专利申请60/420,937的优先权。
技术介绍
数字示波器是由工程师用来观察电子线路中的信号的工具。当电路和信号 变快时，具有能对这些变快信号进行数字化、显示和分析的数字示波器是有益 的。数字示波器对快速信号进行数字化的能力可以通过其带宽和采样率来测 量。采样率是在给定的时间量中从一波形中取得采样点的数目并且与采样周期 (采样之间的时间)成反比。如果从DC到较高频率地执行正弦频率扫描，则带 宽是数字示波器屏幕上所显示的信号约比输入正弦波小30%的频率。因为数字示波器的用途之一在于设计和分析新电子器件，所以高端数字示 波器通常以远高于电子技术目前技术水平的速度工作。这些速度可以通过使用 更快的采样芯片或使用提供期望带宽的替换方法来实现。一种这样的方法包括因一周期性事件反复地触发。如果一事件在周期性地 重复，则从多个触发事件取得的数据可以被集合在一起以提供波形的良好视 图。更特别地，该示波器可因一事件反复地触发并且只在各触发事件时获取该 波形的几个点(有时只是该波形的一个点)。具有此功能的示波器有时被称为 采样示波器。在反复触发之后，根据采样算法对这些点进行重新集合以产 生该波形的较高有效采样率版本。另外，反复触发事件允许取平均值，这可用于提高信噪比(SNR)因而使得带宽能进一步增加。然而，这种采样示波器 以重复信号能使波形表示在许多触发中生成为前提。在要分析的信号不重复的情况下这种技术可能并不合适。例如，示波器的 用户可能想捕捉诸如电子系统中某故障的原因等非重复事件。触发事件可能会 反复地发生，但触发事件周围的信号可能不同。因此，期望仅对单个触发事件 实现高带宽和采样率。这样的数字示波器有时被称为实时示波器，而只用单个 触发事件取得的采集(aquisition)被称为单次激发采集。在实时数字示波器设计中，采样系统所要求的采样率是要采集的模拟信号 的带宽的函数。为了准确地表示信号，采样系统的采样率应该至少为被数字化 的最高频率的两倍。这通常被称为尼奎斯特速率。一种用于提高采样率的方法是时间交织。此方法使用在不同的时间点采样 同一波形的多个数字化元件使得通过组合在该多个数字化仪上取得的波形产 生的波形形成一个高采样率采集。例如，在具有两个模数转换器或ADC的系 统中，第一ADC采样信号，然后第二ADC采样信号，然后第一ADC采样， 以此类推。然后可将ADC的数字输出多路复用或以其它方式组合，从而产生 与该模拟输入信号相对应的复合数字信号。交织的使用相应地降低了各单独 ADC的速度要求。因此，在数字示波器中使用交织可提供增加示波器的有效带宽的显著优 点。用一组给定的ADC，可通过交织的使用来实现高得多的采样率。提高采 样率相应地提高了可由系统采样的最大频率(一般称为示波器的带宽)。 术语带宽实际上指频率范围而非上限。对于示波器，该范围的下端一般被理解 为0Hz左右，因此示波器的额定带宽通常对应于系统可采样的最大频率。因此，采样率中的双倍增大能提供示波器带宽的双倍左右的增加。当釆用交织时，各数字化元件的定时关系、增益和偏移量通常是匹配的。 当数字化仪的这些特性是失配的，则数字化波形的准确度受损。失配数字化仪的一个征兆是误差信号的生成。特定类型的误差信号是由交 织处理中的误差产生的伪信号。 一种常见的伪信号是伪音调。当多个数字化仪 以交织配置工作来数字化波形且单个音调被施加于系统时，多个音调产生。伪 音调的频率位置是根据输入频率和所采用的数字化仪的数目来确定的。伪音调 的幅值和相位是根据输入频率幅值和相位以及单个数字化仪的响应特性(包 括通向各数字化元件的各种信号路径的响应特性)来确定的。如用上述规范 测得的，这些伪音调使得数字化系统的质量降低。这些和其它设计问题限制了数字示波器中所使用交织的程度或等级。通常 通过更快的前端放大器和ADC的设计和使用可实现数字示波器中带宽的进一 步提高。然而，放大器和采样器的性能通常受到集成电路制作的技术水平的限 制。
技术实现思路
在优选实施例中， 一种用于提高示波器的带宽的方法包括将频率上转换(up-converting)和下转换(down-converting)技术用于实现显著超过仅通过交织可取得的带宽的系统带宽。在一个示例性实施例中，该技术包括将一输入信 号分成高频成分和低频成分；下转换模拟域中的高频成分使其可由示波器模拟 前端处理；将低频成分和经下转换的髙频成分数字化；以及根据经数字化的低 频成分和高频成分形成所接收模拟信号的数字表示。在各种实现中，数字表示 是通过将该成分上转换成其原始频带，然后将高频成分与低频成分重新组合来 形成的。在优选实现中，这是通过使高频成分通过高通滤波器，将该成分与正 弦波形混合以生成较高和较低的频率图像，用低通滤波器显著地减少较高的频 率图像，数字化和上采样较低的频率图像，将数字化和上采样的成分与具有基 本上与正弦波形相同的频率的周期性波形相混合以生成较高和较低的频率图 像，然后将较高的频率图像与低频成分相组合以形成原始输入波形的数字表示来实现的。以此方式，优先实施例实现了可以超越与交织以及放大器和ADC 设计的技术水平相关联的限制提高带宽的显著优点。本文还公开了一种伪信号校正系统，该系统在优选实施例中用于补偿交织 期间所产生的误差音调。伪信号校正系统可包括一混合组件以生成对应于诸如 误差音调等伪信号的波形，因此可以将该波形与输入波形组合来显著地减少伪 信号。在一个实施例中，输入波形和周期性数字波形被馈送至混频器中，以生 成除了频率反转(reverse)且相位成分为负以外基本上具有与输入波形相同的 频率成分的混合波形。该周期性数字波形可以与数字化元件同步，从而该波形 在由第一数字化元件采样该波形的各个部分期间具有正幅值、而在由第二数字 化元件采样该波形的各个部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于数字化模拟信号的方法，包括以下步骤：将跨越频率范围的模拟信号分离成占用第一频带的第一信号和占用第二频带的第二信号，所述第二频带的至少相当大的一部分高于所述第一频带；将所述第二信号转换成较低频带；用具有小于所述模拟信号频率范围的频率范围的数字化元件将已转换的第二信号数字化；数字化所述第一信号；以及从所述经数字化的第一信号和经数字化的第二信号形成所述模拟信号的数字表示，所述数字表示基本上跨越了所述模拟信号的频率范围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-11-18 60/629,050;US 2005-2-25 60/656,865;U1.一种用于数字化模拟信号的方法，包括以下步骤将跨越频率范围的模拟信号分离成占用第一频带的第一信号和占用第二频带的第二信号，所述第二频带的至少相当大的一部分高于所述第一频带；将所述第二信号转换成较低频带；用具有小于所述模拟信号频率范围的频率范围的数字化元件将已转换的第二信号数字化；数字化所述第一信号；以及从所述经数字化的第一信号和经数字化的第二信号形成所述模拟信号的数字表示，所述数字表示基本上跨越了所述模拟信号的频率范围。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟信号被分离成三个 或多个信号，每个信号占用基本上分离的频带。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一频带和所述第二频 带基本上重叠。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，共同取得的所述第一频带和 所述第二频带略去了所述模拟输入信号频率范围的相当大的一部分。5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述从经数字化的第一信 号和经数字化的第二信号形成所述模拟信号的数字表示包括对所述经数 字化的第二信号进行频率转换、并将已转换的并且经数字化的第二信号与 经数字化的第一信号组合。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在所述组合之前将 经数字化的第二信号基本上频率转换成所述第二频带信号。7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述频率转换包括与周期 性函数混频。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述周期性函数不是正弦的。9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述较低频带基本上不同于所述第一频带。10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括相对于所述第二 信号延迟所述第一信号。11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成包括与一正弦 波数字地混频。12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换包括与具有一 频率的第一周期性函数混频。13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述形成包括与具有基 本上与所述第一周期性函数相同频率的第二周期性函数数字地混频。14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括滤去所述已转换 第二信号的图像。15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述数字表示之 前对所述较低频带中的已转换第二信号进行上采样。16. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所述数字表 示、所述第一信号或所述第二信号中去除误差信号。17. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括校正所述第一 信号或所述第二信号的相位。18. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述数字表示 形成期间从所述第一信号或所述第二信号中去除误差信号或校正所述第一 信号或所述第二信号的相位。19. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字表示是在基本 上整个频率范围内模拟输入信号的基本准确表示。20. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括向数字示波器中 的数字信号处理硬件输出所述数字表示。21. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟信号是来自正 在测试的设备的输入信号。22. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括产生携带用于确 定具有恒定偏移量的第一本机振荡器的相位的相位信息的基准音调，所述 第一本机振荡器用于将所述第二信号转换成所述较低频带。23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括数字化所述基准音调。24. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括根据相位和恒定 偏移量来生成第二本机振荡器。25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二本机 振荡器用于将经转换的第二信号基本上频率转换成所述第二频带。26. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括将所述基准音调 插入经转换的第二信号。27. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括将所述基准音调 插入所述第一信号。28. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述模拟输入 信号分离成占用第三频带的第三信号，所述第三频带的至少相当大的一部 分高于所述第二频带。29. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括将所述第三信号 转换成与所述第二信号基本上相同的较低频带。30. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，感兴趣的信号只跨越所 述频率范围的一部分。31. —种用于采集模拟信号的系统，包括模拟输入，用于接收跨越频率范围的模拟输入信号，所述频率范围包 括第一频带以及高于...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ普帕莱琪斯，D格雷夫，
申请(专利权)人：美国力科公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]