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安捷伦采样示波器模块拆解

发布时间:2018-06-26             西安安泰仪器维修中心    1690
  安捷伦采样示波器模块拆解

  安捷伦采样示波器模块拆解—安捷伦采样波器上的86109B光电信号测量模块拆解。


  DCA-X采样示波器主机

  86109B是一个40GHz光信号/50GHz电信号测量模块,可以安装在DCA-X主机上。前面板长这样。左边的接口是光信号输入端,右边的是电信号输入端。


  86109B的前面板
  与实时示波器不同,采样示波器主要用来测量重复信号。它的采样率很低,通常只有几十或者几百KHz,却可以用于GHz信号的测量。原因就是因为被测信号是重复性的,采样信号每次都可以采集在一个信号周期的不同位置,这样多次采集后就可以通过采样点将一个周期的信号恢复出来。
  我们能看到采样示波器的内部构造,以及Agilent/Keysight在仪器研发上是如何不计成本的投入的。

  首先取下侧面板,86109B里面的主电路板就是这样的。


  从上图右侧接口进来的是40GHz光信号,通过黄色的光纤,在电路板上转了一圈,最后进入图片中间靠上的光电传感器,变成电信号,再经过同轴电缆,向左进入到左上角方形的小金属盒子里,里面应该是采样电路。

  光信号输入端下面还藏着一个50GHz的电信号输入端,直接输入到图片右侧同样的金属盒子里。


  手指的两个金黄色金属盒里面是采样头,高频的光信号和电信号分别从右侧输入。偏下方的方形金属块,是采样脉冲输出端。由于输入的光信号和电信号频率都很高(40/50GHz),需要上升沿非常快的脉冲信号来触发采样。主机传过来的采样时钟从板子背面送过来,但是它的边沿太慢,不能直接用,需要在这里经过SRD(steprecoverydiode)电路变成非常快速的脉冲信号。

  产生的脉冲信号送给采样头,在前面的图里可以看到有两路信号分别从左侧和下方输出,通过半刚性电缆输入到左右两个采样模块中。所以这就是整个86109B的结构了,想想这八万多美元是不是觉得有点心疼。


  电源电路板

  从另一侧打开86109B,可以看到电源电路板。取下来之后,就是我们之前看到的主电路板背面,从这里看还挺复杂的。


  上图中左右两个金属屏蔽盒,它们的背面就是封在金黄色金属盒里的采样头。输入的高频光电信号经过采样变成短时间保持的直流信号,进入到这两个屏蔽盒中进行放大滤波,然后传到示波器主机中进行AD采样。中间竖着的一小块电路板是采样时钟信号的驱动电路,用于把主机传过来的时钟信号进行放大。屏蔽盒打开后,可以看到里面的两个放大器,用来处理采样头输出的差分信号。另外还有一些滤波电路。连接线都是镀金的。

  接着看时钟驱动电路:


  拆下来的驱动电路

  主机传过来的时钟信号,经过这块驱动电路,放大后从板子背面输出,传给SRD电路产生采样脉冲信号。将电路板翻过来就可以看到这个异型接口。


  时钟信号的驱动电路

  驱动电路与主电路板之间的连接方式很独特,我们从来没在其他的电路上见过这样的设计。在主电路板上有一个45度角放置的长方体金属底座(下图中间位置),与驱动电路背面的金属层紧扣在一起。中间的接头用于与时钟信号连接,两侧是两个螺丝孔。要知道采样示波器的采样频率非常低,只有几十或者几百KHz。花这么大的力气设计这样的连接方式,应该是为了保证良好的信号完整性。虽然看不太懂,但还是觉得很厉害!


  这样的定制化接头一定程度上可以解释产品本身的高额造价,但更昂贵的地方还在后面。

  驱动电路放大后的时钟信号,经过上面的特殊接口,穿过电路板进入到StepRecoveryDiode电路(上图封装在金属盒内部),变成非常快速的脉冲信号输出。它最多有四路输出(周围四个方向),在这里只用了其中两路用于光信号和电信号的采样。


  拆下上面覆盖的部分,可以看到里面的样子。时钟信号从中间进入,脉冲信号则从四周输出。但是我们并没有看到SRD电路。再仔细看被拆下来的部分。里面镶嵌有一小块集成电路,放在显微镜下观察就是下面的样子。藏在这里的才是真正的SRD(下图)。慢速时钟信号经过周围的四组SRD电路,产生四组采样脉冲,从四个不同方向输出。


  SRD电路的作用是把慢速的时钟信号,变成边沿非常快的脉冲信号。就像下面的样子。


  SRD在射频仪器里有非常广泛的用途,在脉冲信号源和频率计中都经常出现。HP早年有几篇非常经典的相关设计应用文章。这里所看到的所有器件的封装,信号的连接方式,以及里面的集成电路,全部都是定制设计。这就像就像你买了一块百达翡丽的手表,大笔的钱都花在了这些专门设计的定制化零部件上。最后我们将一开始看到的采样模块拆开,里面的结构也挺复杂的。因为输入进去的信号频率很高,而整个腔体是由金属制成,所以里面还贴了吸波材料防止信号在腔体内反射共振。而镶嵌在中间就是采样示波器的关键部分——采样头。将采样头放在显微镜下观察,看到的画面是这样的:


  电路部分全部镀金,输入信号从正上方进入,采样信号从下方输入。采样后的信号以差分形式,分别从左上和右上两路以差分的形式输出到示波器主机上,进行AD采样。
  如果对比1966年HP开发的141A采样示波器,两者结构上没什么区别。在制作工艺上却发生了巨大的变化。据统计,一个minifab的投入大约在3000~5000万美元。而大型芯片生产厂的平均投入在7~13亿美元。据说Keysight在加州有自己的芯片设计和生产中心,每年只生产四千块左右的7寸晶圆。因为对性能要求很高,芯片的成品率非常低。苹果手机设计一块芯片可以卖几千万片,而高端仪器一年的销量可能只有几百台。平均下来每块芯片的设计成本可以想象。

  看到这里,就觉得国内仪器仪表行业发展还是任重道远,希望尽早能看到华为一样的企业出现,尽早把我们自己生产的仪器仪表带入高端市场。

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