如何正确使用数字化仪前端信号调理？（一）

一、前言

板卡式的数字转换器和类似测量仪器，比如图1所示的德思特TS-M4i系列，都需要为各种各样的特性信号与内部模数转换器（ADC）的固定输入范围做匹配。

图1：德思特TS-M4i系列高速数字化仪，包括2或4通道版本，分辨率可选14或16位

数字化仪前端一般还需要尽量减少待测设备的负载情况，并提供恰当的耦合。此外，还可能需要进行滤波以减少宽带噪声的影响。而对于德思特数字化仪，所有这些特性都是板卡内置的“前端”提供的，这个“前端”包括了从输入端口到ADC之间的所有电路。用户只需要理解并权衡着使用这些功能特性，就能有效地利用起我们的数字化仪了。

作为例子，图2显示了德思特TS-M4i系列板卡式数字化仪的硬件架构框图。每个输入通道都有自己的独立前端（用绿色底色表示），并可以独立进行设置。前端提供适当的输入耦合、终端负载、量程切换模块以及带通滤波。

图2：德思特TS-M4i系列14/16位数字化仪的硬件架构

今天将先为您介绍数字化仪前端电路所需的特性以及使用过程中需要的输入抗阻和输入耦合。

二、前端特性

为了使数字化仪能匹配尽可能多的使用场景，需要前端电路具备以下能力：

1.  提供终端阻抗选项以进行阻抗匹配，或在高阻抗输入时尽量减小待测件负载

2.  根据场景需要提供交流或直流耦合的选择

3.  提供滤波，用于尽量降低噪声并减少存在的谐波成分

4.  提供多种输入范围选择，以捕获不同电平的输入信号，减小噪声和失真，并保持信号完整性

5.  内置校准源，以便及时校准

三、输入抗阻

测量仪器应适当地为源信号提供终端负载。对于大多数射频（RF）测量，通常是一个50Ω的终端负载。匹配负载可以使反射造成的信号损失最小化。50Ω阻抗匹配会对反射损耗和电压驻波比（VSWR）参数产生正面影响。因此，这两个指标中的任何一个都可以指示阻抗匹配的质量。

如果信源设备具有较高的输出阻抗，则更适合与一个1 MΩ（兆欧姆）高阻抗终端负载匹配，这可以尽量减少电路负载。1 MΩ的终端负载也可以搭配使用高阻抗的示波器探头，这将进一步增加负载端输入阻抗。如果要匹配其他标准阻抗，例如音频领域常见的600Ω阻抗，我们可以把测量端仪器的输入阻抗设为1 MΩ，然后在外部并联一个600Ω的终端电阻来实现匹配。

由于在仪器设计时，提供输入阻抗选项往往存在用户便利性和信号完整性之间的工程权衡，因此一些数字化仪厂商会只提供50Ω的终端负载。如果用户应用需要用到高阻抗终端负载，或同时具有高阻抗和50Ω选项，则建议向制造商询问参数确认是否提供。而德思特的TS-M4i系列标准版就已经设计为可提供输入负载选项，同时还保持了优秀的信号完整性水平。

四、输入耦合

测量仪器中的输入耦合选项提供了将测量仪器与信号源AC或DC耦合的能力。DC耦合用于检测整个信号，包括其中可能存在的DC偏置（非零均值信号）。AC耦合可消除任何稳态平均值（DC分量）。AC耦合对例如在直流电源输出上的纹波测量等应用非常有用。如果没有AC耦合，直流电源的输出电压将需要用更大的信号衰减比接入到测量仪器中，这将使纹波部分更难准确测量；反之，使用AC耦合可以使用更高的输入灵敏度，从而获得更好的纹波成分测量。

AC耦合的关键参数是其AC耦合频率响应的低频截止点（低-3 dB点）。这决定了低频信号将被AC耦合衰减多少。它还与恢复时间有关，即待测信号一旦发生变化，实际输入电平落后于DC分量发生变化的稳定所需时间。通常，截止频率越低，耦合电容器就越大，恢复时间也越长。一些数字化仪只提供AC或DC耦合，而不是提供两种可选项。这同样是为了减少仪器复杂性而进行的工程权衡，因为具有固定耦合方式的数字化仪无需包含继电器或开关等组件。最终，是否需要可选的耦合选项还是取决于用户的具体适用场景。当然，可选的耦合方式在测量需求发生变化时，能提供更大的灵活性。

END

在下期文章中，我们将继续为您介绍数字化仪前端信号调理的使用过程中所需的输入电压范围，与您分享一些改善信号完整性的小技巧以及数字化仪的内置校准功能。

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审核编辑 黄宇