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测试DIY:自力更生构建测量装置
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集成电路自1960年代研发成功，经过几十年的经验积累，它的发展轨迹由摩尔定律作出总结，集成度每18个月增加一倍。与此相对应，表现为逻辑电路的时钟频率每两年提高一倍。测量仪器作为电路开发工具，必须与时共进，不断扩展频率，带宽也要每两年提高一倍。根据统计，数字示波器表现出色，带宽从1GHz提高到16GHz只用去六年时间。示波器是电路开发中最常用的测量工具，测量仪器供给商可用高投入来获得高回报。目前带宽1GHz的产品售价约1万美元，带宽10GHz的产品售价在5万美元，这样的价位只有高级实验室才能用得起，一般实验室和生产车间只能望而却步。
信息技术、数字通信、光纤网络、消费电子推动集成电路的迅猛发展，特别是沟通数字域和模拟域之间的A/D和D/A转换器、处理RF前端的信号调理器、RF数字变频器等芯片变为批量生产。十年前频率1GHz以上的芯片绝大部分属专用产品，现在频率5GHz以下的芯片纷纷走上货架，频率10GHz的某些芯片也接受订货。为了实现数据交换和电子产品的互操作性，通信协议和接口标准从专用走向开放，测量仪器就有IEEE488、VXI、PXI、LXI等多种标准接口可供选用。此外，射频用的同轴接插头、接插件、同轴电缆、高频探头、多芯缆线均有现货供应。计算技术的发展使CPU芯片的时钟频率提高到5GHz，DSP芯片的时钟频率达到1GHz，而且还有配套的快速存储器、外围芯片、I/O接口和编程工具。这些硬件和软件条件都为自行构建测量仪器提供良好的物质基础。
经过几十年的实践，测量仪器设计人员已经总结一套可在二十一世纪持续发展的路线图。值得介绍的是美国国防部制订的新一代测试规划，目标是将各军种兵种的不同结构的自动测试系统，用统一合成的仪器所取代。合成仪器主要由上变频器、下变频器、数字化器和高速I/O四种模块组成硬件，再由软件平台构建成用户定义的自动测试系统。合成仪器的四大模块的内容和接口尚未定型，一种合成仪器的方框图如图1所示，它是根据信号发生器、频谱分析仪、频率计数器、网络分析仪、数字示波器等通用测量仪器综合而成。显然易见，这些模块最终将由片上系统(SoC)芯片来实现。从2000年开始，美国测量业界的著名公司已开发出一些合成仪器的原型机，以便在制订合成仪器标准时获得更大的发言权。
如果我们从合成仪器的概念出发，在市售的集成电路中选择集成度高、性能优异的产品，从而自力更生构建适用、经济的专用测量仪器，用来代替特性全面，售价昂贵的通用测量仪器。回顾测量仪器的发展过程可知，早期的电子应如果我们从合成仪器的概念出发，在市售的集成电路中选择集成度高、性能优异的产品，从而自力更生构建适用、经济的专用测量仪器，用来代替特性全面，售价昂贵的通用测量仪器。回顾测量仪器的发展过程可知，早期的电子应用比较简单，电路设计者借助数量不多的电子元器件的测量工具。后来，电子应用越来越复杂，电路设计者专注于产品，测量仪器衍生成独立的专业。到了集成电路阶段，测量仪器业界兴旺，自成体系，人才专业化，元器件专用化，第三方很难参与竞争。
例如电子示波器，在电子管年代模拟示波器供应商超过五十家，再发展到晶体管年代，模拟示波器的供应商变为只有二十多家。转变成集成电路技术，数字示波器的供应商再减少到十多家，品种齐全的大户不到四家。原因在于大公司拥雄厚的人力物力资源，特别是开发出专用的射频前端片上系统(SoC)，甚至片上仪器(IOC)芯片，加上完善的应用程序，使产品处于领先，占有市场的大部分份额。一些小型公司只能另辟途径，围绕PC机发展多种多样的插件、模块、附件为主的数字示波器，它们充分发挥货架上的集成电路和零配件的作用，开发带宽100MHz以下的虚拟多用数字示波器，集中数字多用表，波形发生器，频谱分析器、数字示波器在一起，由于经济实惠，携带方便，而占有一定市场。这些实例说明，即使在集成电路非常发达的2000年代，电子测量仪器同样能够采用DIY(Do It Yourself)方式，即自己动手来实现。DIY在国际上非常流行，从玩具、用具、家具、机械、电子等等都有DIY套件供应。测量仪器的DIY并非难不可及，以下列举作为参考。
RF功率计
在射频测量中，功率是基本参数，功率计采用比较简单的电路结构，最重要的元件是将功率转换成电流的拾波器。查阅RF拾波器资料可知，Linear Techology的LTC5533 检波器芯片具有很高集成度，非常合适作为DIY功率计使用。它的主要特点是，频率量程300MHz~11GHz，功率量程-32dBm~+12dBm，两通道输入，供电电压2.7V~6.0V，供电电流500mA(工作状态，每路)~2mA(待机状态，每路)，工作温度-40℃~+85℃，输出电流4mA，动态范围40dB，两通道隔离比45dB，4mm×3mm的DFN封装。 [p]
LTC5533的电路框图如图2所示。可见每路Rfin输入端接有由一对肖特基检波二级管构成的电桥，每个二极管的工作电流是50μA，电桥输出由RF检波运放器放大后从晶体管跟随器输出至缓冲级的十输入端。缓冲级的输入Vout是经过信号调理后的RF输入功率，正常状态下输出电流达到4mA，足够驱动仪器级直流电流表。为了功率检波器芯片更适合测量运作，芯片的6个引脚与内部电路的连接如下：
·Vcc是2.7V~6.0V的直流供电电压端，外接陶瓷旁路电容以降低电源纹波和寄生干扰。
·Rfin是被测RF信号输入端，应在外部串联口PF-200PF的高频电容，电容容量的选择根据RF功率和频率而定，保证RF量程是-32dBm—+12dBm。Rfin的参考地是Vcc，内部端接电阻用500Ω，峰值检波电容是25PF。
·Vout是肖特基峰值拾波电桥的电流经过RF检波运放和缓冲运放两级放大后的峰值电流输出。
·Vos是Vout的补偿电压输入端，用来调节无RF信号时的Vout电压值，Vos直流电压输入经电平调节运放后，与RF检波运放的输入叠加，同相送入至缓冲运放的+输入端。Vos＜130mV时，Vout不受Vos的影响；Vos＞130mV时，Vout=Vos+Rfin检波电压。
·SHDN输入是待机控制输入，SHDN处于逻辑高态时，检波器选通；逻辑低态时，下拉电阻160K使RF检波器运放没有输出，同时Vout通过280Ω接地，芯片进入待机状态。
·GND是芯片接地引脚。
肖特基二极管的检波特性是半对数变化，需要线性读数的场合，可在芯片Vout输出端连接信号调理器。需要数字显示时，最简便的方法是使用数字面板表，或者A/D转换器。
RF下变频器
被测信号的频率在100MHz以上时，通用的办法是变换成10MHz以下的基带、视频或音频，传统采用超外差下变频接收法，现今更多采用直接变换接收法。超外差法的电路比较复杂，分立元件较多，占用面积较大，直接变换法的电路比较简单，直截了当将RF变换成基带。测量仪器的频谱分析仪、网络分析仪、数字示波器等设备的射频前端都借助下变频器获得基带信号，然后对基带信号作精确的数字处理。如果我们测量的信号对象比较简单，测量项目不多，则不必购买昂贵的专用仪器，而自动构建实用的RF测量装置。
能够构建RF下变频的多种集成电路中，近年跟踪/保持和放大器(T/HAmp)特别令人注目，它具有很高的集成度和RF直接变换，电路结构简洁，适合自建RF信号测量装置。跟踪/保持和放大器的电路框图如图3所示，输入的差分RF信号(INP、INN)经输入缓冲放大器1(IN1UF)放大，送到高速开关2(SW2)，最后经缓冲放大器(OUT BUF)输出(OUTP、OCTN)。T/H Amp电路的重点是SW1和SW2，它们是异步开关，SW1接通时SW2断开，SW1断开时SW2接通。SW1和SW2可由同一时钟(CLK1)或两个时钟(CLK1、CLK2)选通，选通时间即跟踪和保持时间是1ns级。因为由SW1跟踪的RF信号立刻转换由SW2保持，所以这种过程亦称取样/保持过程，能够将10GHz的RF信号直接变换成10MHz级的基带信号，然后经由视频 A/D转换，实现各种数字处理。
当前有两种市售T/H Amp芯片具备自建RF测量装置的条件，它们是Inphi公司的1820TH/1320TH(18GHz和13GHz)和Hittite微波公司的HMC660LC4B(4.5GHz)。1820TH和HMC660LC4B两种芯片的主要特性如表1所示，1320TH芯片除频率是13GHz之外，其它参数与1820TH完全相同。
两种芯片各有特点，1820TH的带宽最高达18GHz，而HMC660LC4B的取样率是3.0Gs/s。由于Hittite公司采用SiGe BiCMOS工艺，今后还有更新的T/H Amp芯片推出。两种芯片都有详细数据表和应用指南可供参改，HMC660LC4B还提供多种评估用电路板，非常适合自建RF测量装置之用。一种型号1143450-1的评估用PCB板如图4所标，PCB中央是两块HMC660LC4B串接芯片，分别作为SW1和SW2，PCB左边的J1和J2是SMA同轴连接器的差分输入，PCB右边的J3和J4是差分输出，PCB下方是两组差分时钟输入，PCB上方是电源和辅助信号的输入插座，没信号输入、输出和时钟微带线两旁的小圆圈是接通PCB上、下两面金属层的贯通孔，提供良好的射频接地。 [p]
借助跟踪/保持放大器能够将GHz级的射频信号转换成MHz级的视频信号，对于自建射频测量装置已经解决前端变频电路的难题，用户根据被测对象的电气参数就比较容易构建MHz级的测量环境。从测量原理来看，在T/H Amp芯片输出连接8位至10位分辨率的视频A/D转换器，即可利用现成的视频逻辑集成电路组成后端测量电路。甚至可将T/H Amp芯片作为带宽100MHz的一般测量仪器射频前端下变频附件，经过校准和定标后，再设置相应的虚拟面板，使100MHz的带宽等效成GHz级的带宽。
RF高速A/D转换
上面介绍的跟踪/保持放大器作为射频下变频使用是很不错的芯片，显然，变频过程不是实时运作，对于单次出现的射频信号和偶然现象的记录只有采用高速A/D转换器。数字存储示波器和实时频谱分析仪都是利用高速A/D转换器集成电路对RF信号并行取样，在取样窗口内单次完成RF信号的数字化。由于GHz级的高速A/D转换芯片是测量仪器公司手中的王牌器件，所以只供应高档仪器，不出售高速A/D转换芯片。当前，高速A/D转换芯片的最高指标是取样率20Gs/s和8位分辨率，两块芯片时间交叠使用提高取样率一倍，达到40Gs/s，可实现带宽15GHz的实时波形和频谱测量。
事实上，需要实时测量波形和频谱的应用大部分是在2GHz以下的频段，现在，ADC集成电路制造商也供应取样率3Gs/s(8位分辨率)和1.5Gs/s(10位分辨率)的ADC芯片。具备这种实力的集成电路制造商主要有美国国家半导体(NS)公司和法国ATMEL公司，NS公司的工艺和指标略胜一筹。NS公司的ADC83000是市售性能最高的A/D转换器芯片，它的电路框图如图5所示，输入差分信号(VIN+和VIN-)分别送入两组8位ADC(1和2)，在控制逻辑和时钟作用下实现快速A/D转换，8位高速样本经1:2或1:4多路复用器差分输出(Dd、Db和Dc、Da)，以便用1/2或1/4的取样率作波形存储和数字处理。ADC083000芯片的主要性能是，取样率500MS/s~3000MS/s，输入信号(差分1V，单端2V)，供电电压1.8V~2.0V，功率(工作1.8W，待机20mW)，误码率10-18，信噪比44dB，工作温度-40℃~+85℃，时钟相位可调，便于多芯片同步。
高性能RF A/D转换器的不断推出，为自行构建数字化器，数字示波器，实时频谱仪等提供最关键的前端器件，带宽1GH至2GHz的实时测量同样不必购买性能全面，但价格昂贵的整机。
信息技术、数字通信、光纤网络、消费电子推动集成电路的迅猛发展，特别是沟通数字域和模拟域之间的A/D和D/A转换器、处理RF前端的信号调理器、RF数字变频器等芯片变为批量生产。十年前频率1GHz以上的芯片绝大部分属专用产品，现在频率5GHz以下的芯片纷纷走上货架，频率10GHz的某些芯片也接受订货。为了实现数据交换和电子产品的互操作性，通信协议和接口标准从专用走向开放，测量仪器就有IEEE488、VXI、PXI、LXI等多种标准接口可供选用。此外，射频用的同轴接插头、接插件、同轴电缆、高频探头、多芯缆线均有现货供应。计算技术的发展使CPU芯片的时钟频率提高到5GHz，DSP芯片的时钟频率达到1GHz，而且还有配套的快速存储器、外围芯片、I/O接口和编程工具。这些硬件和软件条件都为自行构建测量仪器提供良好的物质基础。
经过几十年的实践，测量仪器设计人员已经总结一套可在二十一世纪持续发展的路线图。值得介绍的是美国国防部制订的新一代测试规划，目标是将各军种兵种的不同结构的自动测试系统，用统一合成的仪器所取代。合成仪器主要由上变频器、下变频器、数字化器和高速I/O四种模块组成硬件，再由软件平台构建成用户定义的自动测试系统。合成仪器的四大模块的内容和接口尚未定型，一种合成仪器的方框图如图1所示，它是根据信号发生器、频谱分析仪、频率计数器、网络分析仪、数字示波器等通用测量仪器综合而成。显然易见，这些模块最终将由片上系统(SoC)芯片来实现。从2000年开始，美国测量业界的著名公司已开发出一些合成仪器的原型机，以便在制订合成仪器标准时获得更大的发言权。
如果我们从合成仪器的概念出发，在市售的集成电路中选择集成度高、性能优异的产品，从而自力更生构建适用、经济的专用测量仪器，用来代替特性全面，售价昂贵的通用测量仪器。回顾测量仪器的发展过程可知，早期的电子应如果我们从合成仪器的概念出发，在市售的集成电路中选择集成度高、性能优异的产品，从而自力更生构建适用、经济的专用测量仪器，用来代替特性全面，售价昂贵的通用测量仪器。回顾测量仪器的发展过程可知，早期的电子应用比较简单，电路设计者借助数量不多的电子元器件的测量工具。后来，电子应用越来越复杂，电路设计者专注于产品，测量仪器衍生成独立的专业。到了集成电路阶段，测量仪器业界兴旺，自成体系，人才专业化，元器件专用化，第三方很难参与竞争。
例如电子示波器，在电子管年代模拟示波器供应商超过五十家，再发展到晶体管年代，模拟示波器的供应商变为只有二十多家。转变成集成电路技术，数字示波器的供应商再减少到十多家，品种齐全的大户不到四家。原因在于大公司拥雄厚的人力物力资源，特别是开发出专用的射频前端片上系统(SoC)，甚至片上仪器(IOC)芯片，加上完善的应用程序，使产品处于领先，占有市场的大部分份额。一些小型公司只能另辟途径，围绕PC机发展多种多样的插件、模块、附件为主的数字示波器，它们充分发挥货架上的集成电路和零配件的作用，开发带宽100MHz以下的虚拟多用数字示波器，集中数字多用表，波形发生器，频谱分析器、数字示波器在一起，由于经济实惠，携带方便，而占有一定市场。这些实例说明，即使在集成电路非常发达的2000年代，电子测量仪器同样能够采用DIY(Do It Yourself)方式，即自己动手来实现。DIY在国际上非常流行，从玩具、用具、家具、机械、电子等等都有DIY套件供应。测量仪器的DIY并非难不可及，以下列举作为参考。
RF功率计
在射频测量中，功率是基本参数，功率计采用比较简单的电路结构，最重要的元件是将功率转换成电流的拾波器。查阅RF拾波器资料可知，Linear Techology的LTC5533 检波器芯片具有很高集成度，非常合适作为DIY功率计使用。它的主要特点是，频率量程300MHz~11GHz，功率量程-32dBm~+12dBm，两通道输入，供电电压2.7V~6.0V，供电电流500mA(工作状态，每路)~2mA(待机状态，每路)，工作温度-40℃~+85℃，输出电流4mA，动态范围40dB，两通道隔离比45dB，4mm×3mm的DFN封装。 [p]
LTC5533的电路框图如图2所示。可见每路Rfin输入端接有由一对肖特基检波二级管构成的电桥，每个二极管的工作电流是50μA，电桥输出由RF检波运放器放大后从晶体管跟随器输出至缓冲级的十输入端。缓冲级的输入Vout是经过信号调理后的RF输入功率，正常状态下输出电流达到4mA，足够驱动仪器级直流电流表。为了功率检波器芯片更适合测量运作，芯片的6个引脚与内部电路的连接如下：
·Vcc是2.7V~6.0V的直流供电电压端，外接陶瓷旁路电容以降低电源纹波和寄生干扰。
·Rfin是被测RF信号输入端，应在外部串联口PF-200PF的高频电容，电容容量的选择根据RF功率和频率而定，保证RF量程是-32dBm—+12dBm。Rfin的参考地是Vcc，内部端接电阻用500Ω，峰值检波电容是25PF。
·Vout是肖特基峰值拾波电桥的电流经过RF检波运放和缓冲运放两级放大后的峰值电流输出。
·Vos是Vout的补偿电压输入端，用来调节无RF信号时的Vout电压值，Vos直流电压输入经电平调节运放后，与RF检波运放的输入叠加，同相送入至缓冲运放的+输入端。Vos＜130mV时，Vout不受Vos的影响；Vos＞130mV时，Vout=Vos+Rfin检波电压。
·SHDN输入是待机控制输入，SHDN处于逻辑高态时，检波器选通；逻辑低态时，下拉电阻160K使RF检波器运放没有输出，同时Vout通过280Ω接地，芯片进入待机状态。
·GND是芯片接地引脚。
肖特基二极管的检波特性是半对数变化，需要线性读数的场合，可在芯片Vout输出端连接信号调理器。需要数字显示时，最简便的方法是使用数字面板表，或者A/D转换器。
RF下变频器
被测信号的频率在100MHz以上时，通用的办法是变换成10MHz以下的基带、视频或音频，传统采用超外差下变频接收法，现今更多采用直接变换接收法。超外差法的电路比较复杂，分立元件较多，占用面积较大，直接变换法的电路比较简单，直截了当将RF变换成基带。测量仪器的频谱分析仪、网络分析仪、数字示波器等设备的射频前端都借助下变频器获得基带信号，然后对基带信号作精确的数字处理。如果我们测量的信号对象比较简单，测量项目不多，则不必购买昂贵的专用仪器，而自动构建实用的RF测量装置。
能够构建RF下变频的多种集成电路中，近年跟踪/保持和放大器(T/HAmp)特别令人注目，它具有很高的集成度和RF直接变换，电路结构简洁，适合自建RF信号测量装置。跟踪/保持和放大器的电路框图如图3所示，输入的差分RF信号(INP、INN)经输入缓冲放大器1(IN1UF)放大，送到高速开关2(SW2)，最后经缓冲放大器(OUT BUF)输出(OUTP、OCTN)。T/H Amp电路的重点是SW1和SW2，它们是异步开关，SW1接通时SW2断开，SW1断开时SW2接通。SW1和SW2可由同一时钟(CLK1)或两个时钟(CLK1、CLK2)选通，选通时间即跟踪和保持时间是1ns级。因为由SW1跟踪的RF信号立刻转换由SW2保持，所以这种过程亦称取样/保持过程，能够将10GHz的RF信号直接变换成10MHz级的基带信号，然后经由视频 A/D转换，实现各种数字处理。
当前有两种市售T/H Amp芯片具备自建RF测量装置的条件，它们是Inphi公司的1820TH/1320TH(18GHz和13GHz)和Hittite微波公司的HMC660LC4B(4.5GHz)。1820TH和HMC660LC4B两种芯片的主要特性如表1所示，1320TH芯片除频率是13GHz之外，其它参数与1820TH完全相同。
两种芯片各有特点，1820TH的带宽最高达18GHz，而HMC660LC4B的取样率是3.0Gs/s。由于Hittite公司采用SiGe BiCMOS工艺，今后还有更新的T/H Amp芯片推出。两种芯片都有详细数据表和应用指南可供参改，HMC660LC4B还提供多种评估用电路板，非常适合自建RF测量装置之用。一种型号1143450-1的评估用PCB板如图4所标，PCB中央是两块HMC660LC4B串接芯片，分别作为SW1和SW2，PCB左边的J1和J2是SMA同轴连接器的差分输入，PCB右边的J3和J4是差分输出，PCB下方是两组差分时钟输入，PCB上方是电源和辅助信号的输入插座，没信号输入、输出和时钟微带线两旁的小圆圈是接通PCB上、下两面金属层的贯通孔，提供良好的射频接地。 [p]
借助跟踪/保持放大器能够将GHz级的射频信号转换成MHz级的视频信号，对于自建射频测量装置已经解决前端变频电路的难题，用户根据被测对象的电气参数就比较容易构建MHz级的测量环境。从测量原理来看，在T/H Amp芯片输出连接8位至10位分辨率的视频A/D转换器，即可利用现成的视频逻辑集成电路组成后端测量电路。甚至可将T/H Amp芯片作为带宽100MHz的一般测量仪器射频前端下变频附件，经过校准和定标后，再设置相应的虚拟面板，使100MHz的带宽等效成GHz级的带宽。
RF高速A/D转换
上面介绍的跟踪/保持放大器作为射频下变频使用是很不错的芯片，显然，变频过程不是实时运作，对于单次出现的射频信号和偶然现象的记录只有采用高速A/D转换器。数字存储示波器和实时频谱分析仪都是利用高速A/D转换器集成电路对RF信号并行取样，在取样窗口内单次完成RF信号的数字化。由于GHz级的高速A/D转换芯片是测量仪器公司手中的王牌器件，所以只供应高档仪器，不出售高速A/D转换芯片。当前，高速A/D转换芯片的最高指标是取样率20Gs/s和8位分辨率，两块芯片时间交叠使用提高取样率一倍，达到40Gs/s，可实现带宽15GHz的实时波形和频谱测量。
事实上，需要实时测量波形和频谱的应用大部分是在2GHz以下的频段，现在，ADC集成电路制造商也供应取样率3Gs/s(8位分辨率)和1.5Gs/s(10位分辨率)的ADC芯片。具备这种实力的集成电路制造商主要有美国国家半导体(NS)公司和法国ATMEL公司，NS公司的工艺和指标略胜一筹。NS公司的ADC83000是市售性能最高的A/D转换器芯片，它的电路框图如图5所示，输入差分信号(VIN+和VIN-)分别送入两组8位ADC(1和2)，在控制逻辑和时钟作用下实现快速A/D转换，8位高速样本经1:2或1:4多路复用器差分输出(Dd、Db和Dc、Da)，以便用1/2或1/4的取样率作波形存储和数字处理。ADC083000芯片的主要性能是，取样率500MS/s~3000MS/s，输入信号(差分1V，单端2V)，供电电压1.8V~2.0V，功率(工作1.8W，待机20mW)，误码率10-18，信噪比44dB，工作温度-40℃~+85℃，时钟相位可调，便于多芯片同步。
高性能RF A/D转换器的不断推出，为自行构建数字化器，数字示波器，实时频谱仪等提供最关键的前端器件，带宽1GH至2GHz的实时测量同样不必购买性能全面，但价格昂贵的整机。
