ЖУРНАЛ «СТА» №2/2016

Д ИАПАЗОНЫ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Обычно АЦП дигитайзеров имеют фиксированный входной диапазон. Простейший интерфейс дигитайзера предполагает единственный вход с по- стоянным входным диапазоном, соот- ветствующим диапазону АЦП. Несмот- ря на простоту, наличие одного входного диапазона не очень удобно и практично в измерительном приборе при большом разнообразии уровней изменяемых сиг- налов. Чтобы нормализовать колебания входного сигнала, привести его в соот- ветствие входному диапазону АЦП, тре- буется применить внешний аттенюатор или, наоборот, усилитель. Аттенюатор – это простой делитель напряжения, как правило, резистивный, который умень- шает амплитуду входного сигнала. Если он изготовлен из хороших прецизион- ных компонентов, то обычно суще- ственно не ухудшает качество и целост- ность исследуемого сигнала. Одной из проблем применения атте- нюатора в сигнальной цепи является то, что при этом амплитуда внутренних шу- мов самого инструмента измерения мас- штабируется в соответствии с коэффи- циентом ослабления полезного сигнала. Так, если у вас есть дигитайзер с собст- венным среднеквадратическим уровнем шума 58 мкВ и вы используете аттенюа- тор 10:1, то получаете значение уровня шума, приведённое к входному сигналу 580 мкВ. Уровень шума – это относи- тельный процент ослабленного аттенюа- тором полного спектра сигнала. Усилители – другая история. Даже разработанные должным образом, они обычно добавляют шум в сигнальный тракт. Правда, это несколько компенси- руется тем, что собственный шум циф- ровых преобразователей становится меньше относительно усиленного вход- ного сигнала. Усилители также могут вносить искажения в форму сигнала. Другое ограничение усилителей – это зависимость коэффициента усиления (gain–bandwidth, GBW) от частоты сиг- нала. При повышении коэффициента усиления пропускная способность уси- лителя пропорционально уменьшается. Особенно это заметно в высокочувстви- тельных диапазонах вблизи границ по- лосы пропускания. Выбор диапазона входного напряже- ния является важнейшим моментом в проектировании модульного дигитайзе- ра, так как имеет большое значение для сохранения целостности сигнала. Одно- временно это даёт большую гибкость пользователю для оптимального выбора входного диапазона дигитайзера в соот- ветствии с амплитудой сигнала. Для до- стижения данного компромисса про- изводители используют разнообразные подходы. Они варьируются от предложе- ния применения одного-единственного фиксированного входного диапазона, что перекладывает часть работы на пле- чи пользователя, который должен сам побеспокоиться о корректном усиле- нии – нормализации сигнала, до пред- ложения организации нескольких вход- ных сигнальных путей (трактов). Решение с несколькими входными пу- тями в сочетании с буферизованным сигнальным трактом является универ- сальным для входных диапазонов и терминальных окончаний на высоко- частотном тракте (ВЧ) 50 Ом, который обеспечивает высочайшую пропускную способность и наилучшую целостность сигнала в сочетании с минимальным ко- личеством входных диапазонов и посто- янным входным сопротивлением 50 Ом. На рис. 14 показана архитектура мо- дульного дигитайзера SpectrumM4i.44xx, который включает в себя двойной вход- ной тракт. Путь ВЧ оптимизирован для обеспечения наибольшей полосы про- пускания с наилучшей точностью сиг- нала. Буферизированный путь обес- печивает необходимую универсаль- ность и гибкость и предлагает более широкий спектр диапазонов входного напряжения. Пользователи сами могут выбрать необходимый входной путь, соответствующий измерительным тре- бованиям. В табл. 3 приводятся сравнительные характеристики для каждого сигналь- ного пути в модели M4i.445x, версии 14 бит, 500 Mсэмпл/с. На рис. 15 пока- зано сравнение канала ВЧ и буферизо- ванного канала в 256 точках отсчётов в диапазоне дигитайзера 500 мВ. Здесь мы видим пошаговую картинку по каж- дому тракту. Обратите внимание на то, что последовательные точки отсчёта были выбраны для каждого пути без на- ложения друг на друга и на то, что пол- ный размах (peak-to-peak) напряжения шума по буферизированному пути вы- ше, чем по ВЧ-тракту. Схемотехнический дизайн ВЧ-тракта оптимизирован для минимизации шума и, несмотря на то что имеет вдвое боль- шую пропускную способность, чем бу- феризированный тракт, он обеспечива- ет намного меньший уровень шума. Це- ной этого является сокращение количе- ства доступных входных диапазонов и необходимость использования 50-ом- ных терминальных согласований. Обратите внимание, что если вы выби- раете модульный преобразователь, кото- рый предлагает только эквивалент буфе- ризированного тракта, то получаете сиг- нал с более высоким уровнемшума. Если посмотреть гистограммы волны одной и той же формы, показанные на рис. 16, мы видим, что разброс относительно среднего значения для ВЧ-тракта мень- ше, чем для буферизованного пути. Это 8 СТА 2/2016 ОБ ЗОР / АППА РАТ НЫЕ С Р Е ДС Т В А www.cta.ru Рис. 14. Блок-схема модульного дигитайзера Spectrum M4i.44xx PCI Express с разрешением 14–16 бит УС УС УС-усилитель Высокочастотный тракт 50 Ом с фиксированным диапазоном Вход Выбор связи Вход калибровки Связь AC/DC Буферизованный тракт Ограничение полосы пропускания Цифровой выход Тактовый генератор Канал 0 50 Ом 50 Ом A D Источник калибровочного сигнала Таблица 3 Сравнение характеристик высокочастотного и буферизированного трактов 14-битового дигитайзера серии M4i.445x Характеристика Высокочастотный тракт Буферизованный тракт Сопротивление аналогового входа 50 Oм 1 МОм и 25 пФ, или 50 Ом Диапазон входных напряжений ±500 мВ, ±1 В, ±2 В, ±5 В ±200 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±2 В, ±5 В, ±10 В Входная связь AC/DC AC/DC Максимальная полоса пропускания 250 МГц 125 МГц Среднеквадратический уровень шума (без сигнала) на ±500 мВ < 58 мкВ < 70 мкВ