一、前言

板卡式的數字轉換器和類似測量儀器，比如圖1所示的德思特TS-M4i系列，都需要為各種各樣的特性信號與內部模數轉換器（ADC）的固定輸入范圍做匹配。

圖1：德思特TS-M4i系列高速數字化儀，包括2或4通道版本，分辨率可選14或16位

數字化儀前端一般還需要盡量減少待測設備的負載情況，并提供恰當的耦合。此外，還可能需要進行濾波以減少寬帶噪聲的影響。而對于德思特數字化儀，所有這些特性都是板卡內置的“前端”提供的，這個“前端”包括了從輸入端口到ADC之間的所有電路。用戶只需要理解并權衡著使用這些功能特性，就能有效地利用起我們的數字化儀了。

作為例子，圖2顯示了德思特TS-M4i系列板卡式數字化儀的硬件架構框圖。每個輸入通道都有自己的獨立前端（用綠色底色表示），并可以獨立進行設置。前端提供適當的輸入耦合、終端負載、量程切換模塊以及帶通濾波。

圖2：德思特TS-M4i系列14/16位數字化儀的硬件架構

今天將先為您介紹數字化儀前端電路所需的特性以及使用過程中需要的輸入抗阻和輸入耦合。

二、前端特性

為了使數字化儀能匹配盡可能多的使用場景，需要前端電路具備以下能力：

1. 提供終端阻抗選項以進行阻抗匹配，或在高阻抗輸入時盡量減小待測件負載

2. 根據場景需要提供交流或直流耦合的選擇

3. 提供濾波，用于盡量降低噪聲并減少存在的諧波成分

4. 提供多種輸入范圍選擇，以捕獲不同電平的輸入信號，減小噪聲和失真，并保持信號完整性

5. 內置校準源，以便及時校準

三、輸入抗阻

測量儀器應適當地為源信號提供終端負載。對于大多數射頻（RF）測量，通常是一個50Ω的終端負載。匹配負載可以使反射造成的信號損失最小化。50Ω阻抗匹配會對反射損耗和電壓駐波比（VSWR）參數產生正面影響。因此，這兩個指標中的任何一個都可以指示阻抗匹配的質量。

如果信源設備具有較高的輸出阻抗，則更適合與一個1 MΩ（兆歐姆）高阻抗終端負載匹配，這可以盡量減少電路負載。1 MΩ的終端負載也可以搭配使用高阻抗的示波器探頭，這將進一步增加負載端輸入阻抗。如果要匹配其他標準阻抗，例如音頻領域常見的600Ω阻抗，我們可以把測量端儀器的輸入阻抗設為1 MΩ，然后在外部并聯一個600Ω的終端電阻來實現匹配。

由于在儀器設計時，提供輸入阻抗選項往往存在用戶便利性和信號完整性之間的工程權衡，因此一些數字化儀廠商會只提供50Ω的終端負載。如果用戶應用需要用到高阻抗終端負載，或同時具有高阻抗和50Ω選項，則建議向制造商詢問參數確認是否提供。而德思特的TS-M4i系列標準版就已經設計為可提供輸入負載選項，同時還保持了優秀的信號完整性水平。

四、輸入耦合

測量儀器中的輸入耦合選項提供了將測量儀器與信號源AC或DC耦合的能力。DC耦合用于檢測整個信號，包括其中可能存在的DC偏置（非零均值信號）。AC耦合可消除任何穩態平均值（DC分量）。AC耦合對例如在直流電源輸出上的紋波測量等應用非常有用。如果沒有AC耦合，直流電源的輸出電壓將需要用更大的信號衰減比接入到測量儀器中，這將使紋波部分更難準確測量；反之，使用AC耦合可以使用更高的輸入靈敏度，從而獲得更好的紋波成分測量。

AC耦合的關鍵參數是其AC耦合頻率響應的低頻截止點（低-3 dB點）。這決定了低頻信號將被AC耦合衰減多少。它還與恢復時間有關，即待測信號一旦發生變化，實際輸入電平落后于DC分量發生變化的穩定所需時間。通常，截止頻率越低，耦合電容器就越大，恢復時間也越長。一些數字化儀只提供AC或DC耦合，而不是提供兩種可選項。這同樣是為了減少儀器復雜性而進行的工程權衡，因為具有固定耦合方式的數字化儀無需包含繼電器或開關等組件。最終，是否需要可選的耦合選項還是取決于用戶的具體適用場景。當然，可選的耦合方式在測量需求發生變化時，能提供更大的靈活性。

END

在下期文章中，我們將繼續為您介紹數字化儀前端信號調理的使用過程中所需的輸入電壓范圍，與您分享一些改善信號完整性的小技巧以及數字化儀的內置校準功能。

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審核編輯 黃宇