[發明專利]具有交織采樣功能的數字示波器及其工作方法

有效

• 申請號: 201210528548.4
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103869124B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 史慧;王悅;王鐵軍;李維森
• 申請（專利權）人: 北京普源精電科技有限公司
• 主分類號: G01R13/02
• 分類號: G01R13/02;H03M1/12
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 王天堯

技術領域

本發明涉及數字示波器技術領域，尤其涉及具有交織采樣功能的數字示波器及其工作方法。

背景技術

數字示波器中，采樣頻率是最重要的指標之一，越來越高的采樣頻率是數字示波器的發展方向。ADC（Analog?to?Digital?Converter，模數轉換器）是數字示波器中的采樣器件，它將模擬信號轉換成數字信號，它的采樣頻率決定了數字示波器的采樣頻率。

由于工藝和器件發展的限制，單個ADC單元的采樣頻率還不能做的非常高，目前最高的單個ADC單元的采樣頻率也只不超過2GHz左右，為了實現高采樣頻率，往往需要使用多個ADC單元對同一個模擬信號進行采樣，將多個ADC單元的采樣時鐘錯開，組合在一起形成實現更高采樣頻率，這個過程即交織采樣。

通過交織采樣能夠形成更高的采樣頻率，目前實現交織采樣有兩種方式，一種是ADC的制造廠商，直接將多個ADC單元集成到一片ADC?芯片里面，通過配置ADC芯片的寄存器，實現交織采樣。這種方式的好處是單片集成，使用方便，不足是芯片功耗大，集成困難，使用者可選擇的芯片少。另一種方式是，電路板設計上將多片ADC芯片對同一個模擬信號進行采樣，提供合適的采樣時鐘和同步，實現交織采樣，這種方式的好處是芯片使用者可以自己設計，比較靈活，實現需要的采樣頻率，缺點是，電路實現比較困難。

多ADC芯片交織的關鍵技術在于各個ADC芯片的時鐘信號的產生以及ADC芯片數據的讀取，針對不同類型的ADC芯片，交織的方法也不同。

圖1為現有技術提供的一種針對逐次逼近和雙積分類型ADC芯片的交織方案的示意圖。如圖1所示，該方案中的數字示波器包括時鐘源、多個分立的ADC?芯片、相位控制電路和采樣值復用電路。其中時鐘源用于產生采樣時鐘，頻率為f，并將采樣時鐘傳送至相位控制電路，相位控制電路在采樣時鐘的控制下，按照不同的相位間隔輸出多個采樣時鐘，控制多個ADC芯片進行采樣。多個分立的ADC芯片，在相位控制電路的控制下，對輸入信號進行采樣，并分別將采樣數據送至采樣值復用電路，采樣值復用電路接收多個ADC?芯片的采樣數據，并按照相位先后順序排序并輸出。

圖1中，ADC芯片以2的冪次采樣時，如需得到采樣時刻2ⁿ倍的采樣頻率，則需要2ⁿ個ADC芯片，相位間隔為360°/2ⁿ。相位控制電路在采樣時鐘f控制下，輸出2ⁿ個不同相位的采樣時鐘，頻率和f相同，圖2為現有技術中一種相位控制電路的示意圖。圖2中的相位控制電路為一個典型的鎖相環結構，包括n倍分頻器、鑒相器、電荷泵、環路濾波器、VCO（Voltage?Controlled?Oscillator，壓控振蕩器）、m倍分頻器。其中鑒相器、電荷泵、環路濾波器、VCO、m倍分頻器構成了鎖相環結構。先將采樣時鐘Fin分頻，然后輸入鎖相環，鎖相環輸出和輸入采樣時鐘Fin同相的采樣時鐘，經過輸出級的0度和180度單元，輸出兩個相位相差180°的采樣時鐘，0度單元一般使用緩沖器可以實現，180度單元一般使用非門可以實現。圖1中2ⁿ個ADC芯片在不同相位且頻率相同的采樣時鐘控制下，對同一模擬信號進行采樣，這2ⁿ個ADC?芯片的采樣數字信號都送到采樣值復用電路，按照相位先后順序排序，得到一個n倍采樣頻率的采樣值序列。

然而，上述現有技術針對的是逐次逼近和雙積分ADC芯片，其采樣精度很高，但是采樣頻率很低，最高只有幾MHz，無法適用于數字示波器對高速ADC芯片的使用，目前一般數字示波器使用的ADC?芯片，一般都在GHz以上。

現有技術的相位控制電路，輸入時鐘頻率和輸出時鐘頻率相同，現有技術沒有給出一個好的相位控制電路的實現方式，電路中只是利用了0度和180度單元產生了兩個相位相差180°的采樣時鐘，無法實現更多相位的采樣時鐘。

現有技術中的采樣值復用電路輸出一個n倍采樣頻率的采樣值序列。如果采樣頻率很高時，比如GHz級別，n倍采樣頻率的序列，后面的數據處理單元接受比較困難。目前較快速的FPGA（Field－Programmable?Gate?Array，現場可編程門陣列）的IO（Input?Output，輸入輸出）頻率也小于1GHz。所以現有技術很難高實現高采樣頻率ADC芯片的交織采樣，特別是采樣頻率1GHz以上的ADC芯片。

發明內容

本發明實施例提供一種具有交織采樣功能的數字示波器，用以實現高速ADC芯片的交織采樣，該數字示波器包括：