CN113009201B - 一种电信号采样装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电信号采样装置。该电信号采样装置包括：脉冲信号源，用于产生脉冲信号；第一采样模块，第一采样模块通过耦合器与脉冲信号源连接；耦合器用于将脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，测试输入信号从耦合器输入被测设备后耦合形成测试输出信号；第一采样模块用于从耦合器采集采样入射信号和测试输出信号；信号延迟模块，信号延迟模块通过预设延时产生N个激励信号，N个激励信号用于控制脉冲信号源在脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，N个激励信号用于在采样入射信号的一个周期内控制第一采样模块产生N组采样入射信号。本发明实施例的技术方案，以实现等效采样示波器的效果，提升时间分辨率。

Description

一种电信号采样装置
技术领域
本发明实施例涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电信号采样装置。
背景技术
特性阻抗测试(简称TDR)和时域传输特性测试(简称TDT)广泛应用于信号完整性分析、电缆、PCB测试等场景中，最常用的TDR测试设备是采样示波器，采样示波器可以通过很低的采样率实现很高的采样带宽，但采样示波器一般成本较高，而且仅能用于重复信号的测试。
实时示波器可以实时测试被测信号，在实时示波器中集成TDR或TDT功能可以有效降低TDR或TDT的成本。时间分辨率是TDR的一个重要指标，频率分辨率是TDT的一个重要指标，而影响这两个指标的因素有示波器带宽BW、脉冲信号源的上升时间Tr，带宽BW越大，上升时间Tr越小，TDR分辨率越高，且TDT为TDR的频域变换，则TDR分辨率越高，TDT频率分辨率也越高。
提高TDR/TDT时间分辨率常规的方法有提高带宽和减小脉冲信号源的信号上升时间。对于提高带宽的方法，当实时示波器的模拟带宽达到10GHz时，实时示波器能响应的快沿的上升时间TR＝35ps，信号从发射到被测设备再经反射回到发射点的时间为2t，那么2T<TR，T<17.5ps，即，实时示波器的模拟带宽提高到10GHz时，TDR的时间分辨率能达到17.5ps；对于减小脉冲源信号的上升时间的方法，目前最快的沿的上升时间为35ps，则根据式(1)——实时示波器测试快沿的上升时间T测、脉冲源信号上升时间TS和示波器能响应的快沿的上升时间Tscope之间的关系可知，只有当脉冲源信号上升时间TS远小于实时示波器能响应的快沿的上升时间Tscope时，提升脉冲源信号的边沿速度才能有效的提升TDR&TDT时间分辨率，但设计远小于35ps的脉宽信号更加困难。
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综上所述，现有的提高集成TDR或TDT功能的实时示波器时间分辨率的方法实现成本高且实现复杂困难。
发明内容
本发明实施例提供一种电信号采样装置，以实现等效采样示波器的效果，增大采样带宽，提升时间分辨率。
本发明实施例提供了一种电信号采样装置，该电信号采样装置包括：
脉冲信号源，用于产生脉冲信号；
第一采样模块，所述第一采样模块通过耦合器与所述脉冲信号源连接；其中，所述耦合器用于将所述脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，所述测试输入信号从所述耦合器输入被测设备后耦合形成测试输出信号；所述第一采样模块用于从所述耦合器采集所述采样入射信号和测试输出信号；
信号延迟模块，所述信号延迟模块通过预设延时产生N个激励信号，所述N个激励信号用于控制所述脉冲信号源在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，所述N个激励信号用于在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块产生N组采样入射信号；其中，N为大于1的整数。
进一步的，所述信号延迟模块包括采样时钟单元和延时电路；
所述采样时钟单元，用于产生采样时钟信号；
所述延时电路，用于将所述采样时钟信号通过预设延时产生N个所述激励信号。
进一步的，所述脉冲信号源与所述延时电路相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述采样时钟单元与所述第一采样模块相连。
进一步的，所述延时电路为进位链、延时芯片、FPGA的延时单元或移相器中的一种。
进一步的，所述脉冲信号源与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述第一采样模块相连。
进一步的，所述延时电路为进位链、模数转换芯片、锁相环或延时芯片中的一种。
进一步的，所述电信号采样装置还包括第二采样模块；
所述第二采样模块与所述被测设备的信号输出端相连，用于采集所述被测设备的第二测试输出信号，输出第二采样信号。
进一步的，所述脉冲信号源与所述延时电路相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述采样时钟单元与所述第二采样模块相连。
进一步的，所述脉冲信号源与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述第二采样模块相连。
进一步的，所述电信号采样装置为实时示波器。
本发明实施例的技术方案，该电信号采样装置包括：脉冲信号源，用于产生脉冲信号；第一采样模块，所述第一采样模块通过耦合器与所述脉冲信号源连接；其中，所述耦合器用于将所述脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，所述测试输入信号从所述耦合器输入被测设备后耦合形成测试输出信号；所述第一采样模块用于从所述耦合器采集所述采样入射信号和测试输出信号；信号延迟模块，所述信号延迟模块通过预设延时产生N个激励信号，所述N个激励信号用于控制脉冲信号源在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，所述N个激励信号用于在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块产生N组采样入射信号；其中，N为大于1的整数。解决了现有技术中提高TDR时间分辨率依赖于技术改进的问题，以实现等效采样示波器的效果，增大采样带宽，提升时间分辨率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种采用进位链方式延时的延时电路的结构示意图；
图5到图8是本发明实施例提供的电信号采样装置延时采样的波形示意图；
图9是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
图1为本发明实施例一提供的一种电信号采样装置的结构示意图，本实施例可适用于提高集成TDR或TDT功能的实时示波器的时间分辨率的情况。
该电信号采样装置100的结构具体包括如下：
脉冲信号源110，用于产生脉冲信号；
第一采样模块130，所述第一采样模块130通过耦合器120与所述脉冲信号源110连接；其中，所述耦合器120用于将所述脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，所述测试输入信号从所述耦合器120输入被测设备150后耦合形成测试输出信号；所述第一采样模块130用于从所述耦合器120采集所述采样入射信号和测试输出信号；
信号延迟模块140，所述信号延迟模块140通过预设延时产生N个激励信号，所述N个激励信号用于控制脉冲信号源110在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，所述N个激励信号用于在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块产生N组采样入射信号；其中，N为大于1的整数。
其中，脉冲信号源110作为电信号采样装置100的入射信号源，用于产生脉冲信号，该脉冲信号具有较快的上升沿，即信号边沿上升时间非常短，示例性的，脉冲信号的边沿上升时间大约为35皮秒。
可选的，脉冲信号源110可以为采用比较器或整形电路实现的高速脉冲源。
继续参见图1，耦合器120可外置于电信号采样装置100，耦合器120是将脉冲信号一分二扇出后，一路作为被测设备150的测试输入信号，另一路作为采样入射信号，连接到第一采样模块130上。
可以理解的是，在上述实施例中，耦合器120置于电信号采样装置100外部，则信号的传输均在通过电信号采样装置100与外部的耦合器120交互完成。
进一步的，图2是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图，参见图2，所述耦合器120置于所述电信号采样装置100的内部，则信号的传输均在电信号采样装置100内部完成。
可以理解的是，当耦合器120置于电信号采样装置100内部时，则将导致电信号采样装置100的采样通道需要增加切换，或是将电信号采样装置100固定成时域反射测量仪(TDR仪)，无法实现本发明实施例所提供的电信号采样装置进行TDR/TDT功能使用，同时，操作比较麻烦，而耦合器120置于电信号采样装置100外部更灵活。
在上述实施例的基础上，所述耦合器120可以为功分器、定向耦合器、驻波比电桥或运算放大器中的一种。
第一采样模块130为电信号采样装置100的模拟信号采样通道，第一采样模块130用于采集脉冲信号源110的采样入射信号以及被测设备150的测试输出信号。
可以理解的是，第一采样模块130用于将采集到的采样入射信号和测试输出信号叠加后得到的信号波形在时域显示器上进行显示，以便于本领域技术人员同时对采集到的波形信号进行分析。第一采样模块130的采样受电信号采样装置100的控制，同时根据信号延迟模块140的采样时钟相位关系进行采样。
信号延迟模块140通过预设延时产生N个激励信号，N个激励信号用于对脉冲信号源110的控制，即控制脉冲信号源110在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号，或者，N个激励信号用于对第一采样模块130的采样控制，即在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块130产生N组采样入射信号，信号延迟模块140通过预设延时产生N个激励信号实现等效采样示波器的效果，进而提高TDR或TDT测量的时间分辨率。
需要说明的是，在上述实施例的基础上，所述电信号采样装置100可以为实时示波器。被测设备150可以为线路板等需要进行阻抗测试的元器件，本实施例对此不作任何限制。
本发明实施例的技术方案，该电信号采样装置100包括：脉冲信号源110，用于产生脉冲信号；第一采样模块130，所述第一采样模块130通过所述耦合器120与所述脉冲信号源110连接；其中，所述耦合器120用于将所述脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，所述测试输入信号从所述耦合器120输入被测设备150后耦合形成测试输出信号；所述第一采样模块130用于从所述耦合器120采集所述采样入射信号和测试输出信号；信号延迟模块140，所述信号延迟模块140通过预设延时产生N个激励信号，所述N个激励信号用于控制脉冲信号源110在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，所述N个激励信号用于在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块130产生N组采样入射信号；其中，N为大于1的整数。解决了现有技术中提高TDR时间分辨率依赖于技术改进的问题，以实现等效采样示波器的效果，增大采样带宽，提升时间分辨率。
图3是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图，参见图3，在上述实施例的基础上，所述信号延迟模块140包括采样时钟单元142和延时电路141；
所述采样时钟单元142，用于产生采样时钟信号；
所述延时电路141，用于将所述采样时钟信号通过预设延时产生N个所述激励信号。
继续参见图3，在上述实施例的基础上，所述脉冲信号源110与所述延时电路141相连，所述延时电路141与所述采样时钟单元142相连，所述采样时钟单元142与所述第一采样模块130相连。
其中，所述采样时钟单元142用于为电信号采样装置100的脉冲信号源110和第一采样模块130提供时钟源，即产生采样时钟信号，且保证脉冲信号源110和第一采样模块130具有固定的相位关系或连接关系，使得脉冲信号源110产生脉冲信号的频率和相位与采样时钟信号同步。
可以理解的是，采样时钟单元142产生的是两个延时、相位、幅值完全相同的两路时钟信号，即两路延时、相位、幅值完全相同的采样时钟信号，分别输出至延时电路141和第一采样模块130。
进一步的，采样时钟单元142可以采用锁相环电路，也可以采用其他现有方案中可以同步输出两路、同步时钟源的模块，本实施例对采样时钟单元120的具体的实现方式不作任何限制。
延时电路141用于将采样时钟信号进行确定Δt的延迟，即预设延时产生多个依次延时Δt的激励信号，以使激励信号与采样时钟信号成为具有一定相位关系的高速脉冲信号。
可以理解的是，延时电路141的不同实现方式决定了其提高的时间分辨率的大小也不同。
继续参见图3，在上述实施例的基础上，所述延时电路141可以为进位链、延时芯片、FPGA的延时单元或移相器中的一种。
具体的，延时电路141可以通过RC电路进行延时，即通过电阻器R或电容器C的调节实现不同延时，进而可以实现100fs级的延时；延时电路141也可以通过延时芯片实现，现有技术的延时芯片可以实现步进最小2ps的延时；延时电路141还可以采用FPGA的延时单元实现，其延时单元最小延时步进是30ps；延时电路141还可以采用进位链实现延时，其可以实现的最小延时是10ps。延时电路141还可以采用移相器进行实现。在上述实施例的基础上，延时电路141不同的实现方式其对应的延时的时间不同，则所能提高的等效采样率也不同，提高的TDR&TDT的时间分辨率也就不同，本实施例对延时电路141的具体实现方式不作任何限制。
示例性的，以延时电路141采用进位链实现为例，进位链(Carry chain)是FPGA内为实现快速运算的单元，其延时量非常小，一般可以到10ps左右，即输入阶跃信号经过1级进位链，可以被延时10ps左右。因此，进位链可进行级联，以实现更大的延时。
图4是本发明实施例提供的一种采用进位链方式延时的延时电路的结构示意图，参见图4，一个FPGA器件内包括进位链1、进位链2……进位链N共N级进位链，每一级进位链的输出可以通过抽头连接FPGA器件的输出端，每一级的抽头对应的延时不一样，所有抽头可以使用开关进行选择，选择不同的延时输出，则输入一个阶跃信号，经过图示进位链的延时输出，每一级进位链输出被依次延时Δt，其中，Δt的大小由FPGA器件决定，通过开关对应选择不同的抽头，进而实现对输入阶跃信号的精细延时调节。
示例性的，图5到图8是本发明实施例提供的电信号采样装置延时采样的示意图。参见图5到图8，在本实施例中，假设脉冲信号的一个周期是t，延时电路能够延时的最小步进是Δt0，延时电路实际的延时时间为Δt，且Δt>Δt0，当采样时钟信号和脉冲信号同步的情况下，电信号采样装置100根据采样时钟信号的上升沿对输入到第一采样模块130上的脉冲信号进行第一次采样，则在采样时钟信号的上升沿采样到如图5所示的脉冲信号的黑色实心采样点；之后，延时电路再次对采样时钟信号进行Δt的时间延时后，电信号采样装置100继续根据采样时钟信号的上升沿对输入到第一采样模块130上的脉冲信号进行第二次采样，则在采样时钟信号的上升沿采样到如图6所示的脉冲信号的黑色空心采样点；进一步的，延时电路对采样时钟信号进行2*Δt的时间延时后，电信号采样装置100根据采样时钟信号的上升沿对输入到第一采样模块130上的脉冲信号进行第三次采样，则在采样时钟信号的上升沿采样到如图7所示的脉冲信号的黑色菱形采样点。
综上所示，由于被采样的波形与采样时钟信号是有固定的相位关系的，则通过这个固定的相位关系，利用算法可以将这三次的采样点，按照相位关系依次排列，即可得到如图8所示的高采样率下采集到的波形。由此可见，脉冲信号原来的一个采样周期是t，采样率是1/t。那么，经过上述对脉冲信号延迟的方法则将采样周期由原来的t变成了Δt(即3*Δt＝t)，相应的采样率变成了3/t，采样率提高了3倍，此时的时间分辨率就达到了Δt。因此，当延时电路141的最小延时步进越小，则电信号采样装置100的时间分辨率就越高，则当采用常规的FPGA的进位链时，即可以将时间分辨率提高到10ps。
图9是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图，参见图9，在上述实施例的基础上，所述脉冲信号源110与所述采样时钟单元142相连，所述延时电路141与所述采样时钟单元142相连，所述延时电路141与所述第一采样模块130相连。
在本实施例中，电信号采样装置100通过在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块130产生N组采样入射信号，实现的提高TDR&TDT时间分辨率，其与采用控制脉冲信号源在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号的原理相同，在此不再一一累述。
示例性的，第一次在时钟上升沿对采样入射信号进行一次采样，第二次将时钟信号延时Δt后，使用采样时钟信号再一次对采样入射信号进行采样，第三次将时钟信号延时2*Δt后，使用采样时钟信号再一次对采样入射信号进行采样。因为这三次延时具有固定确定的相位关系，即可采用算法将这三次采样到的数据进行交织拼接后得到高采样率的波形信号，以达到提高等效采样率的以及提高时间分辨率的目的。
在上述实施例的基础上，所述延时电路141可以为进位链、模数转换芯片、锁相环或延时芯片中的一种。
其中，延时电路141采用数模转换芯片自带的延时调节功能，其最小延时时间大约在fs级别，则通过数模转换芯片也能更好的提升时间分辨率。
在上述实施例的基础上，延时电路141也可以通过移相器、锁相环或延时芯片中的一种实现。
图10是本发明实施例提供的一种电信号采样装置的结构示意图，参见图10，在上述实施例的基础上，所述电信号采样装置100还包括第二采样模块160；
所述第二采样模块160与所述被测设备150的信号输出端相连，用于采集所述被测设备150的第二测试输出信号，输出第二采样信号。
其中，第二采样模块160为电信号采样装置100的模拟信号采样通道，第二采样模块160用于采集被测设备150的第二测试输出信号，第二测试输出信号是在被测设备150接收到测试输入信号后，由被测设备150直接输出第二测试输出信号。
第二采样信号即为第二采样模块160采集到的直接由被测设备150输出的信号。
可以理解的是，图1所提供的电信号采样装置100为所述耦合器120置于所述电信号采样装置100外部的情况，本发明实施例公开的电信号采样装置100还包括第二采样模块160的情况中，同样适用于如图2所示的耦合器120置于所述电信号采样装置100内部的情况，本发明实施例对此不再累述说明。
在上述实施例的基础上，继续参见图3和10所示的电信号采样装置的结构示意图，当电信号采样装置集成有TDT功能，即包含第二采样模块160，则所示第二采样模块160分别与被测设备150和信号延迟模块140相连。
相应的，所述信号延迟模块140包括采样时钟单元和延时电路；在上述实施例的基础上，所述脉冲信号源与所述延时电路相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述采样时钟单元与所述第二采样模块相连。此时，对应于N个激励信号用于控制所述脉冲信号源在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号，则所述采样时钟单元用于为电信号采样装置100的脉冲信号源110和第二采样模块160提供时钟源，即产生采样时钟信号，且保证脉冲信号源110和第二采样模块160具有固定的相位关系或连接关系，使得脉冲信号源110产生脉冲信号的频率和相位与采样时钟信号的产生同步。延时电路的工作原理同上述实施例所述，在此不再累述。
在上述实施例的基础上，所述脉冲信号源与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述第二采样模块相连。此时，对应于所述N个激励信号用于在所述第二测试输出信号的一个周期内控制所述第二采样模块产生N组第二采样信号，则与电信号采样装置100通过在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块130产生N组采样入射信号，实现的提高TDR&TDT时间分辨率的原理相同，在此不再累述。
本发明实施例提供的在集成TDR/TDT功能的电信号采样装置采用了巧妙的电路结构，通过对脉冲源延时的控制，或者对采样时钟的控制，实现等效采样示波器的效果，克服了巨大的示波器模拟带宽和超高速边沿信号的难题，将等效采样率提高，实现更大的系统带宽，轻松简单的实现了提高TDR和TDT时间分辨率的目的。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种电信号采样装置，其特征在于，包括：
脉冲信号源，用于产生脉冲信号；
第一采样模块，所述第一采样模块通过耦合器与所述脉冲信号源连接；其中，所述耦合器用于将所述脉冲信号一分二扇出后产生测试输入信号和采样入射信号，所述测试输入信号从所述耦合器输入被测设备后耦合形成测试输出信号；所述第一采样模块用于从所述耦合器采集所述采样入射信号和测试输出信号；
信号延迟模块，所述信号延迟模块通过预设延时产生N个激励信号，所述N个激励信号用于控制所述脉冲信号源在所述脉冲信号的一个周期内产生N组脉冲信号；或，所述N个激励信号用于在所述采样入射信号的一个周期内控制所述第一采样模块产生N组采样入射信号；其中，N为大于1的整数；
所述信号延迟模块包括采样时钟单元和延时电路；
所述采样时钟单元，用于产生采样时钟信号；
所述延时电路，用于将所述采样时钟信号通过预设延时产生N个所述激励信号。
2.根据权利要求1所述的电信号采样装置，其特征在于，所述脉冲信号源与所述延时电路相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述采样时钟单元与所述第一采样模块相连。
3.根据权利要求2所述的电信号采样装置，其特征在于，所述延时电路为进位链、延时芯片、FPGA的延时单元或移相器中的一种。
4.根据权利要求1所述的电信号采样装置，其特征在于，所述脉冲信号源与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述第一采样模块相连。
5.根据权利要求4所述的电信号采样装置，其特征在于，所述延时电路为进位链、模数转换芯片、锁相环或延时芯片中的一种。
6.根据权利要求1所述的电信号采样装置，其特征在于，所述电信号采样装置还包括第二采样模块；
所述第二采样模块与所述被测设备的信号输出端相连，用于采集所述被测设备的第二测试输出信号，输出第二采样信号。
7.根据权利要求6所述的电信号采样装置，其特征在于，所述脉冲信号源与所述延时电路相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述采样时钟单元与所述第二采样模块相连。
8.根据权利要求6所述的电信号采样装置，其特征在于，所述脉冲信号源与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述采样时钟单元相连，所述延时电路与所述第二采样模块相连。
9.根据权利要求1所述的电信号采样装置，其特征在于，所述电信号采样装置为实时示波器。
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