对存储示波器技术的一点思考

本文是我的本科毕业论文草稿中,综述部分的前半。这部分内容主要讨论的是我毕业论文设计的思想来源以及对其发展历史的回顾。内容干货不多,更多是资料整合,考虑到不涉及什么保密之类的事情,发出来也挺好。

这仍然是草稿,原文中引用参考文献的部分都是随便放了一些内容占位,要查文献的话直接用这些占位的内容去搜索就能找到。原文为了不水,这部分没有配图片,这里为了阅读性考虑补上了这些图片。

第一台使用采样技术制造的示波器迄今已有70年以上的历史,其设计的初衷是解决不同组件之间的带宽差距[50 years of sampling]。详细而言:二战结束时,采样电路已经能工作到数百MHz[McQueen sampling scope],时钟产生器的抖动也能满足该频率下采样电路的工作需求,但当时的存储和显示技术的带宽却极小 - 最高仅有数十MHz的水平。为了解决这种带宽的不匹配,Janssen(Philips),McQueen等人先后提出了采样示波器(Sampling Oscilloscope)的概念,其特征为每个或多个信号周期内仅对一点进行采样,下一次采样将按次或随机选择一定的时间偏移[Tektronix XYZ's of Oscilloscopes Chap.4]。每一个点被采样后,经过内部的电路放大,在CRT上显示出单个点。如此,多个周期内采样的点便可以在屏幕上排列形成一个完整的图像。

随机采样式采样示波器

等时采样式采样示波器

在1960年HP推出的HP 185A是第一款成熟的采样示波器产品,其输入带宽达到500MHz。Lecroy在此基础上于1971年开发出了世界第一个实时采样示波器WD-2000。实时采样的含义为其采样速度可以达到输入带宽的一倍或以上(即满足采样定理),这使得单发(Single-Shot)采集成为可能。WD-2000的采样速率可达1GHz,存储能力为20个样本。该示波器的工作原理为:使用20个高速采样电路对输入信号进行交替采样,之后逐次读出并显示在CRT上[Teledyne LeCroy WD-2000 – первый цифровой осциллограф реального времени компании LeCroy]*1。

LeCroy WD-2000 实时采样示波器

WD-2000的采样板,中间为信号接入的高速放大器,周围环绕一圈的是采样电路

与此同时,一种新型的示波器技术出现:模拟存储示波器。这种类型的示波器利用存储管,通过一个电子靶实现了对波形的记录,之后再由电路低速读出,供一个低速的CRT显示。早期的该类型产品同样是为了解决输入信号速度较快而荧光屏的偏转速度受尺寸限制的问题*2被提出。不久后也有一系列产品将该功能合并到一个真空管(即直显式存储管)中实现,降低了成本,同时在省略或无法实现高速示波器照相机的情况下实现了突发波形的记录。

HP1727A 存储管示波器,这台是我自己的XD

在该类产品的设计思想影响下产生了两类新型存储示波器设计:数字存储示波器和CCD模拟存储示波器。

数字存储示波器是目前通用示波器市场的主流选择,它可以视作是前文提到的采样示波器与模拟存储示波器的结合,其存储部分放在了ADC之后,以数字RAM方式实现,之后再由数字控制系统读出,显示在CRT上或LCD上。

CCD模拟存储示波器是一种小众的产物,其存在的原因是90年代末,数字存储示波器中高速ADC的成本较高,而CCD的技术日渐成熟。该设计的主要特点为:存储部分提前到ADC之前实现。以飞利浦PM3320系列为例,该产品使用CCD技术制造了一个可以保存模拟量的移位寄存器,使得在使用一个低速(10kHz)ADC的前提下,整系统实现了250Msps的单发采集[PM3320 Service Manual]。

PM3320的两张图片,飞利浦的P2CCD移位寄存器被埋在了下面主板上的一个子板的内层,暂未找到清晰的图片[https://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/PM3320A.html]

以上叙述的目的为引出本文的核心观点:不同形式的存储技术的引入所解决的首要问题是系统中某些功能模块的速度不匹配的问题,这种不匹配可能发生在整个信号链路的任何环节,随着时代进步和应用场景的不同,问题发生的具体位置也会随时发生变化。

本文开题时所针对的使用场景为ADC式脉冲激光雷达。这类系统的工作原理出于篇幅关系,在此仅作简述:脉冲激光雷达在工作时,会按照一定时间间隔发射激光脉冲,在目标物上反射后再进行接收。在室外使用场景中,脉冲的时间通常在10~100ns量级。ADC式脉冲激光雷达的接收部分采用高速ADC实现,通过ADC对某一接收脉冲的多次采样,可以在噪声干扰,幅度不确定的情况下,通过数学计算更加准确地推断该脉冲出现的时间[相关文献],从而计算距离。

不难看出,该应用的需求,与前文提到的存储示波器所能提供的核心功能是吻合的。更加有趣的是,该应用是一个典型的突发式应用,如飞利浦PM3350这样的模拟存储示波器不但能满足需求,还能够在满足基本需要的基础上提供更多有价值的特性。例如它有可能允许设计者将高速的采样电路与低速的量化电路,如Σ-Δ转换器,相结合,有可能在一定程度上调和速度-精度之间的矛盾。

随着CMOS生产工艺的发展,是否存在一种可能,即今天在先进工艺下尝试使用单片集成的方式实现这样一个系统,来实现高于传统方法的成本优势或性能优势,这是值得探讨的。

*1. 未找到该文章的原文,仅有一篇俄语译文可供参考。
*2. 理论上而言,通过将荧光屏做小,可以将显示带宽提升到1GHz以上,然而这会为观察带来不便。[Tek 1GHz Analog Scope]

……

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.