Rigol DHO800-Hack系列示波器：添加 “任意函数发生器” 功能

“ 通过增加一个子版，让 Rigol DH800 或 DHO900 系列示波器具备任意波形发生器的功能。”

仓库地址：

https://github.com/MatthiasElectronic/AWG_DHO8-900

性能展示

所有信号均由子板生成，安装在带有 DHO924S vendor.bin 的 DHO804 上。 

矩形波的开关边沿

开关边沿干净。上升时间（trise）和下降时间（tfall）为 15.5ns。这是最大幅度（+/-5V）下的图片，但在较小电压下测得的上升和下降时间相同。

带宽

-3dB 点略高于 25MHz。在最大可选频率 25MHz 时，测得的峰峰值为 719mV，刚好高于 -3dB 点的 707mV。

失真 / THD（总谐波失真）

失真在大部分情况下与幅度无关，仅在非常小的幅度时有所不同。 这里提供了一个 1kHz 正弦信号在 10V 和 100mV 峰峰值电压下的测量结果。 在 10Vpp 时，主要的 HD3 约为 -62dB，因此 THD 应低于 -60dB。

噪声 / SNR（信噪比）

噪声测量设置： 施加一个极低频率的正弦信号，触发器设置在过零点，水平范围很小，使信号显示为直流。这样，可以测量交流有效值（AC RMS），它等于该信号幅度下的噪声有效值。然而，超低频噪声不可见。

2Vpp 信号幅度下的噪声：

噪声 RMS = 334µV，信号 RMS = 707mV => SNR = 67dB

 

10Vpp 信号幅度下的噪声：

噪声 RMS = 5.2mV，信号 RMS = 3.54V => SNR = 57dB

噪声源

测得的噪声主要由主板上带有非屏蔽电感的开关稳压器辐射的 EMI（电磁干扰）产生的波纹/尖峰主导。

一个 1.3MHz 的波纹始终存在。

一个 740kHz 的波纹仅在 >2Vpp 时可见，此时 x10 增益级（继电器 K4）被激活。

 在以下 10Vpp 1MHz 正弦信号的 FFT（快速傅里叶变换）中，两个波纹都显示为峰值：

幸运的是，这是在衰减器之前耦合到电路中的，因此在较小的信号幅度下，EMI 波纹也被衰减了。 此外，还有明显来自电源适配器的随机（burst 模式）尖峰。即使在 AWG 子板关闭时也能测量到它们。

 需要说明的是：噪声/波纹足够小，在时域中除非幅度非常小，否则是看不见的。

增益和偏移精度

我的原型有 -3mV 的直流偏移，直接来自主板上的“DC offset”引脚。这是最显著的偏移误差，因为它在最小的信号幅度下完全可见。 

我已经为我的板修复了这个问题，但这完全与容差有关。额外的偏移误差取决于交流增益和范围选择，当输出信号超过 1Vp 时，这也会被放大 10 倍。 我的示波器主板在最高和最低增益参考值之间有 3% 的增益误差。这是增益误差中最主要的部分，因此如果需要修复这个容差，必须针对每台示波器具体进行。

如何 Hack?

1. 更改 vendor.bin

   要将 AWG 子板添加到示波器，需要一个修改过的 vendor.bin（DHO914S 或 DHO924S）来启用 AWG 软件功能。相关链接：

   https://www.eevblog.com/forum/testgear/hacking-the-rigol-dho800900-scope/msg5344076/#msg5344076

2. 移除偏移

   修改 vendor.bin 后，模拟测量通道中会出现直流偏移，甚至可能无法通过重新校准来消除。 

   在更改 vendor.bin 后进行固件更新，然后重新校准会有所帮助。我推测 FPGA 固件在固件更新期间会根据 vendor.bin 进行更改。

3. 硬件版本电阻

   无需更改用于版本检测的电阻：DHO800 和 DHO900 系列示波器无需更改电阻即可工作。

4. 在主板上添加缺失的元件

   DHO800 系列示波器在主板上缺少一些元件。

• 必须添加两个连接器（1.27mm 母座）：2x20 和 2x5

• 必须为偏移和增益模拟值添加两个运算放大器（3PEAK TP1282L1-VR）。原理上将并不合适（因为它们不是官方的输入轨到轨运放），但不知何故这仍然有效，并且它们也用在原始的 DHO900 系列上。

• 缺少 BNC 连接器，但由于该部件非常高且无处可寻，我改为增加了 AWG PCB 的尺寸，并直接在 AWG 板上安装了一个较小的 BNC 连接器。因此主板上无需额外的 BNC 连接器。在将 BNC 连接器焊接到子板上时，我建议将其作为最后一步。SMD PCB 互连有一定的容差，而且 BNC 连接器最好不要完全推入 PCB，以达到与主板上的“触发输出”相同的高度。我在焊接前，在 AWG 子板安装在主板上的情况下对齐了连接器。

• 需要将子板固定到安装孔上。M4 螺钉和两个 M4 紧固件就足够了，但略微偏大（阻焊层是唯一的绝缘……）。一个更好的解决方案（来自 hochohmig.de 的想法）是可焊接的 M3 通孔螺母座，这样更整洁，并且不需要接触主板背面。用安装孔将子板固定到主板上是绝对必要的，仅靠 PCB 互连是不够的，因为 BNC 连接器没有固定在外壳上。

• 需要在塑料外壳上为 BNC 连接器钻一个孔。

幸运的是，所有其余的元件（电阻、参考电压、数字接口……）都已经组装好了。 注意：无需为 DHO800 系列添加任何额外的 RAM

主板与 AWG 子板之间的接口

CLK = 采样率 = 156MHz

数字数据总是完全用尽 DAC 的动态范围。

增益的调整仅通过模拟增益输入电压完成，而不是数字方式。

当幅度 = Vpp 设置为 2V 时，所有衰减/放大级 K1-K4 都被禁用，模拟增益输入处于其最大值。

尚不清楚的是“Protection”输出信号，它需要被拉到负电压似乎也很奇怪。

5 个继电器是：/sqrt(10)、/10、/10、*10、开/关

拓扑讨论与设计决策

以下为拓扑结构：

DAC 本身与原始 AWG 板上的相同，但采用了更便宜的 QFN 封装。原始设计中 DAC 允许的输出电流被严重超限，因此我减小了该电流。

运放为了价格优势被完全替换。原始的 1GHz 部件对于一个 50MHz 的信号发生器来说似乎是过度配置了。我选择了 230MHz 的 OPA2673。遗憾的是，没有便宜的介于两者之间且具有高电压和高带宽的器件。但压摆率是足够的。

电源轨减少到只有 +6.5V 和 -6.5V，这对于最大 +5V / -5V 的信号输出电压来说刚好足够，并且处于运放允许工作条件的边缘。这两个都是开关电源，通过强制 PWM 和直接在运放输入端进行滤波来保持低波纹。不需要 LDO，因为大多数 LDO 无法消除 1.1MHz 的波纹。5V 继电器的额定电压也适用于此，所以这也很棒。尽管原始板有 +15V/-12V，但实现了相同的最大输出信号。只有 6.5V 意味着直流偏移级必须重做，因此所有 PI 衰减器和运放增益都必须更改。作为一个简单的附加功能，我还在 PCB 上添加了匹配的阻抗。

DAC 输出滤波器完全重做。原始滤波器需要非常特定和不常见的元件值，这些值无处可寻，所以必须完全更改。

原始设计中采用了一个九阶椭圆滤波器，这对于高频抑制听起来很棒，但其阶跃响应非常糟糕。由于我希望矩形信号具有陡峭的边沿，因此我选择了一款相位特性好得多的滤波器。在同时优化以最小化元件差异时，最终的设计方案有点“取巧”，成了一个五阶低通滤波器（特性介于巴特沃斯和贝塞尔滤波器之间）。Spice 仿真结果看起来很有希望，但实测的信号边沿（见上文，上升/下降时间 trise/fall = 15.5ns）比仿真值（10ns）要慢一些。

从下图可以看出，新设计的阶跃响应要好得多，同时也没有超过运放的压摆率。但从频率衰减特性来看，椭圆滤波器显然更优。我的滤波器在通带的高频部分有轻微衰减，并且在采样频率（156MHz）处的衰减也不是那么理想。

通带内衰减：这种衰减在频率高于 10MHz 时会变得明显，但对于正弦信号，可以通过手动调整幅度来进行校正。

混叠（Aliasing）：混叠只可能在高于奈奎斯特频率（78MHz）时发生。对于频率较低的信号（例如 <1MHz），当信号频率 fsig 远小于采样频率 fsample 时，这个问题并不重要。这是因为除了低通滤波器的衰减作用外，采样保持电路在频域中的 sinc 函数特性也足以抑制任何混叠（例如，sinc(1-1MHz/156MHz) = -44dB）。对于更高的频率，混叠情况会更糟，并且可能在快速傅里叶变换（FFT）或频谱分析仪上观察到。

结论： 

→ 更差的混叠衰减，仅在高频时相关 → 更好的阶跃和脉冲响应行为

可能的改进

...我不会去解决这些问题，但欢迎大家贡献。

• M4 紧固件太大了，需要更多的空间，因为阻焊层目前是唯一的防线。

• 一个直流偏移电位器会有帮助。

• 提高增益精度，但这可能非常困难。

• 选择带有通孔对齐引脚的连接器以便于组装，但这可能需要更精确的尺寸测量。

• 消除主板上开关稳压器的磁性 EMI 耦合。最简单的解决方案可能是交换第 3 层（GND）和第 4 层（信号），并为阻抗校正走线宽度。然而，由于这是磁性近场，这可能不足够。我尝试了一些连接到 GND 的铝箔作为屏蔽，带来了 -3dB 的改善。一块浮动的薄铁片带来了 -10dB 的改善。另一个选择可能是将主板上的非屏蔽电感更换为屏蔽电感。

请注意，在继电器的左侧，塑料外壳非常靠近 PCB，所以即使是大的 MLCC 或 SMD 电感器也可能太大，而继电器肯定是。

声明

本设计采用 CERN-OHL-W-2.0 许可证发布。对于本产品无法正常工作或造成任何形式的损害，我们概不负责。本产品并非产品，而是开发板。使用风险自负。

本项目受 Rigol 原版 AWG 的影响，因此仅建议个人使用。虽然未经验证，但出售此 AWG 可能侵犯 Rigol 的专利或权利。