高速數字器的模擬前端有兩項主要元件，就是模擬輸入電路及模擬數字轉換器（adc）。模擬輸入電路將信號衰減、放大、過濾、及／或偶合，使adc的數字化能達到 佳。adc將處理過的波型做取樣，將模擬輸入信號轉換為代表經過處理之數字信號的數位值。

圖 1

    頻寬（bandwidth）描述的是模擬前端在振幅損失 少的前提下，將信號從外部世界傳入adc的能力；取樣速率（sample rate）是adc將模擬輸入波型轉換為數字資料的頻率；奈奎斯特定理（nyquist theorem）說明取樣速率和受測信號的頻率之間的關系。以下將更詳細地討論這三個名詞。

    頻寬（bandwidth）

    頻寬形容一個頻率范圍，在這個范圍內，輸入信號可以用振幅損失 少的方式，穿過模擬前端──從探測器的前端或測試設備到達adc的輸入端。頻寬指定為正弦曲線輸入訊號衰減至原振幅之70.7%時的頻率，亦稱為-3 db點。下圖說明100 mhz高速數字器的典型輸入反應。

圖 2

    舉例來說，如果你將一個1 v, 100 mhz的正弦波輸入頻寬為100 mhz的高速數字器，信號會被數字器的模擬輸入途徑衰減，而被取樣的波型振幅約為0.7 v。

圖 3

    數字器的頻寬 好比要測量的信號中的 高頻率高三到五倍，以期在 低的振幅誤差下截取信號（所需頻寬 = （3 至 5）*欲測頻率）。受測信號的理論振幅誤錯可以從數字器頻寬與輸入信號頻寬（r）之間的比例計算得知。

圖 4

    舉例來說，在使用100 mhz高速數字器測量50 mhz正弦曲線信號時（其比例r=2），誤差大約為10.5%。

    另一個和頻寬有關的重要主題是上升時間（rise time）。輸入信號的上升時間是指信號從 大信號振幅的10%轉換到90%的時間，而且與頻寬成反向相關，由以下公式呈現。此公式?裼玫ゼ?ｐ停?-c限制輸入反應為基礎。

圖5

    這表示100 mhz數位器的輸入途徑的上升時間是3.5 ns。我們建議數位器輸入途徑的上升時間為受測訊號上升時間的1/3到1/5，才能在上升時間誤差 低的情況下測量訊號。測得之上升時間的理論值 （trm） 可以利用數位器的上升時間 （trd）和輸入訊號的實際上升時間 （trs）計算而得。

圖 6　

    舉例來說，在使用100 mhz高速數字器測量上升時間為12 ns的訊號時，測得的上升時間約為12.5 ns。

    取樣速率（sample rate）

    取樣速率與高速數字器的頻寬規格并不直接相關。取樣速率是指信號經過模擬輸入徑途之后，數字器的adc將輸入信號轉換為代表電壓強度的數字值的速率。這表示數字器是在模擬輸入通道對信號施以任何衰減、增益、及／或過濾處理之后，才對信號取樣，并將所得的波型轉換為數字呈現。高速數字器的取樣速率是根據取樣時脈而定，它告訴adc何時將即時的模擬電壓轉換為數字值。national instruments的高速數字器可以根據設備的 大取樣速率加以衍生，以支援多種有效取樣速率。舉例來說，ni 5112的 大取樣速率為100 megasamples/second （ms/s），可以設定為 （100ms/s）/n的取樣速率，其中n = 1,2,3,4,....

圖 7

    奈奎斯特定理（nyquist theorem）

    首先必須了解，奈奎斯特定理：取樣速率 > 2 * 受測訊號的 高頻率部份。

    奈奎斯特定理說明必須以高于受測信號的 高頻率兩倍以上的速度進行取樣，才能正確地重建波型；否則高頻的內容會成為目標頻譜（spectrum of interest）內某個頻率（通頻，passband）上的alias。alias是錯誤的較低頻元件，出現在以過低取樣速率取得的樣本資料中。下圖顯示一個5 mhz的正弦波，由6 ms/s adc進行數字化。虛線是adc記錄的alias信號，它是以1 mhz進行取樣，而非以5 mhz進行取樣。

圖 8: 奈奎斯特頻率的正弦波范例

    5 mhz頻率以alias的方式落回通頻中，呈現1 mhz正弦波的樣式。為了避免通頻的alias現象，你可以使用低通濾波器來限制輸入信號的頻率，或提高取樣速率。