影響示波器測(cè)試精度的因素有哪些，有什么解決方案

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新低功耗器件的大量應(yīng)用以及更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)約束，工程師對(duì)測(cè)試的精度越來(lái)越敏感，開(kāi)始不滿足現(xiàn)有示波器幅度測(cè)試的分辨率和精度了。影響示波器測(cè)試精度的因素都有哪些呢？我們?nèi)绾翁岣邷y(cè)試精度呢？

優(yōu)勢(shì)1：示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 位數(shù)

為提高測(cè)試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數(shù)，但是因?yàn)锳DC其采樣率和垂直分辨率的互相制約，目前市面上常見(jiàn)的示波器還是采用8bit ADC。換句角度來(lái)看，理論上用滿其垂直的動(dòng)態(tài)范圍，分辨率就是垂直量程/ 256（2^8），如果采用12bit ADC 的示波器其分辨率為垂直量程/4096（2^12）， 從這個(gè)角度來(lái)看，高比特的ADC可以在測(cè)試精度上帶來(lái)非常大的提升。

現(xiàn)在工程師面臨著更多小信號(hào)測(cè)試的挑戰(zhàn)，如果您是做電源設(shè)計(jì)的工程師，紋波越來(lái)越小從以往的幾十到一百多mV到目前只有十幾mV甚至很多筆記本和手機(jī)上小到幾個(gè)mV的微小紋波測(cè)試。無(wú)疑對(duì)測(cè)試紋波的工具示波器提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，泰克全新一代示波器輕松解決微小信號(hào)測(cè)試問(wèn)題。

還有一類更加挑戰(zhàn)的測(cè)試要求，就是小信號(hào)是疊加在一個(gè)大的信號(hào)之上如何能準(zhǔn)確測(cè)試呢？歸根結(jié)底還是驗(yàn)證示波器的垂直分辨率的指標(biāo)，為測(cè)試到信號(hào)的整體，可能選擇一個(gè)較大的量程，但是又要看到其微小信號(hào)變化，請(qǐng)參考圖1就非常清晰了解其測(cè)試效果的不同。

圖1 不同位數(shù)ADC示波器測(cè)試小信號(hào)對(duì)比

泰克公司新4系、5系、6系MSO示波器采用硬件12bit ADC傾力打造無(wú)與倫比的垂直分辨率，幫助您捕獲微小信號(hào)。

優(yōu)勢(shì)2：示波器前端放大器

示波器檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、可檢測(cè)的最小信號(hào)都主要取決于前置放大器。

在泰克全新一代示波器MDO3提升了前端放大器的硬件性能，本底噪聲降低了高達(dá)30%，從而提升了信號(hào)測(cè)試精度。具體的請(qǐng)參考圖2：

圖2 泰克新MDO3系示波器和傳統(tǒng)示波器本底噪聲對(duì)比

優(yōu)勢(shì)3：示波器采集模式

在測(cè)量低壓信號(hào)時(shí)，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復(fù)性而定，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕?lái)改善測(cè)量分辨率：平均模式和HiRes 模式。

主要介紹兩種會(huì)提升測(cè)試精度的方法：

①平均模式。平均模式示波器采集系統(tǒng)中基本降噪信號(hào)處理技術(shù)之一。它依賴多次觸發(fā)采集重復(fù)的信號(hào)。通過(guò)使用來(lái)自兩次或兩次以上采集的數(shù)據(jù)，這種模式逐點(diǎn)平均采集中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成輸出波形。平均模式改善了信噪比，降低了與觸發(fā)無(wú)關(guān)的噪聲，提高了垂直分辨率，可以更簡(jiǎn)便地觀察重復(fù)信號(hào)。

圖3平均模式在多次采集中計(jì)算每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值

可以修改傳統(tǒng)平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)立即顯示結(jié)果，解決顯示平均的波形時(shí)延誤時(shí)間的問(wèn)題。但是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題依舊沒(méi)有得到解決。穩(wěn)定的平均算法為：

an = （1 / n） * （x0 + x1 + x2 + … + xn-1）

其中：an 是當(dāng)前平均采集中的點(diǎn)

xn 是新采集n 中的點(diǎn)

n 表示采集次數(shù)

注意，為了得到具體N 次采集的加總平均值，只需把示波器置入Single Sequence （ 單次序列） 模式。在這種模式下，在n 到達(dá)N 時(shí)，采集會(huì)停止，平均的波形中包含著具體N 個(gè)采集的波形。

泰克示波器采用指數(shù)平均算法，可以在每次采集后在顯示畫(huà)面上立即更新結(jié)果，明顯降低了要求的存儲(chǔ)容量。指數(shù)平均流程采用下面的公式，從新采集xn 和之前平均波形an-1 中得到新的平均的波形an：

an = an-1 + （1/p）*（xn - an-1） = an-1 * （（p - 1） / p） + （xn / p）

其中：n 表示采集次數(shù)

N 表示請(qǐng)求的平均總數(shù)

an 是平均的采集中新的點(diǎn)

an-1 是過(guò)去平均的采集中的點(diǎn)

xn 是新采集中的點(diǎn)

p 是平均因數(shù)

如果（n

這兩種算法都可以立即顯示波形中一致的趨勢(shì)效應(yīng)。您可以在低速信號(hào)中看到這一點(diǎn)。如果信號(hào)是穩(wěn)定的，那么您會(huì)看到前N 次采集中噪聲連續(xù)下降。在N 次采集后，信號(hào)仍將變化，但整體降噪或垂直分辨率不再有改觀。平均功能提高了信號(hào)的垂直分辨率，對(duì)于信號(hào)周期穩(wěn)定的波形非常有效。對(duì)于周期及幅值都變化的波形如何提高測(cè)試精度呢？

②高分辨率模式。

圖4 HiRes 采集模式計(jì)算每個(gè)采集間隔中所有樣點(diǎn)的平均值

HiRes 模式是泰克已獲專利的采集方式，它計(jì)算并顯示每個(gè)采樣間隔中所有順序樣點(diǎn)值的平均值。這種模式提供了一種方法，用過(guò)采樣獲得與波形有關(guān)的進(jìn)一步信息。在HiRes 模式下，通過(guò)獲得進(jìn)一步水平采樣信息，可以提供更高的垂直分辨率，降低帶寬和噪聲。HiRes 處理在定制硬件中完成，以最大限度地提高速度。HiRes 模式較平均模式的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，是即使單次采集也可以使用HiRes 模式。

帶寬限制及由于HiRes 導(dǎo)致的垂直分辨率提高程度會(huì)隨著儀器的最大采樣率和實(shí)際（ 選擇的） 采樣率變化。實(shí)際采樣率一般顯示在屏幕底部附近，最大采樣率可以參見(jiàn)產(chǎn)品技術(shù)資料。垂直分辨率位數(shù)為：

垂直位數(shù)= 8 + 0.5 log2 * （D）

其中：D 是壓縮比或最大采樣率/ 實(shí)際采樣率得到的-3 dB 帶寬（ 除非受到測(cè)量系統(tǒng)模擬帶寬的進(jìn)一步限制） 是：

BW = 0.44 * SR

其中：SR 是實(shí)際采樣率

表1 泰克MDO3系示波器5 GS/s 示波器中由于HiRes 增強(qiáng)的垂直分辨率對(duì)應(yīng)表

在許多泰克示波器中，平均算法是在硬件中實(shí)現(xiàn)的，采用固定點(diǎn)數(shù)學(xué)，得到大約16 位的最大分辨率值。觀察到的分辨率改善程度略低，會(huì)隨著應(yīng)用變化，但這種信號(hào)處理技術(shù)對(duì)許多應(yīng)用尤其有效。

High Res 模式是一種全新的泰克已獲得專利的采集模式，它會(huì)產(chǎn)生非常高的垂直分辨率。在高層次上，它與以前的技術(shù)類似，它會(huì)用降低定時(shí)分辨率的方式，來(lái)改善垂直分辨率，這通過(guò)計(jì)算及顯示多個(gè)順序樣點(diǎn)的波形串平均值來(lái)實(shí)現(xiàn)。除波形串平均技術(shù)本身會(huì)發(fā)生低通濾波外，對(duì)每項(xiàng)個(gè)采樣率，它還對(duì)信號(hào)應(yīng)用一個(gè)唯一的FIR 平滑濾波器，對(duì)頻響進(jìn)行整形，優(yōu)化垂直分辨率的改進(jìn)程度。

表2 MSO4和MSO5系列示波器加強(qiáng)型高分辨率模式對(duì)照表

與以前的技術(shù)不同，4系列、5 系列MSO 先從12 位6.25 GS/s ADC 輸出入手，在ASIC 上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

另外，為改善用戶體驗(yàn)，采集標(biāo)志會(huì)顯示分辨率位數(shù)，活動(dòng)通道的垂直標(biāo)志表明-3 dB 帶寬。4系列5 系列MSO 中的High Res 采集模式提供了表2所示的性能。注意示波器通道和任意相連探頭提出的模擬帶寬限制會(huì)進(jìn)一步降低表2 所示的帶寬。

圖5應(yīng)優(yōu)化所有采集階段，以實(shí)現(xiàn)最佳分辨率和噪聲性能

優(yōu)勢(shì)4：示波器的采樣率

對(duì)于當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)調(diào)試來(lái)說(shuō)，混合信號(hào)已經(jīng)非常普遍，最近幾年數(shù)字信號(hào)的速度越來(lái)越快，工程師對(duì)數(shù)字信號(hào)處理能力要求越來(lái)越高，很多工程師糾結(jié)是不是購(gòu)買(mǎi)專用的邏輯分析儀來(lái)進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)處理。這里有個(gè)問(wèn)題，市面上很多的示波器都名字為混合信號(hào)示波器MSO， 為什么不能用這類儀器來(lái)數(shù)字信號(hào)處理呢？

我們來(lái)確認(rèn)下這個(gè)問(wèn)題，MSO確實(shí)有數(shù)字信號(hào)處理能力，市面MSO 的示波器可以選配16路數(shù)字信號(hào)處理，也具有一定的分析功能，但是仔細(xì)確認(rèn)有發(fā)現(xiàn)其數(shù)字信號(hào)采樣能力確實(shí)很大的局限，一般一臺(tái)示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s，但是MSO示波器數(shù)字信號(hào)的常規(guī)的采樣率只有200MS/s，市面上最高到500MS/s。大家都知道采樣率對(duì)信號(hào)還原尤其是偶發(fā)異常信號(hào)捕獲的重要性，所以就目前的市面的MSO系列混合信號(hào)示波器來(lái)說(shuō)，會(huì)非常糾結(jié)這個(gè)問(wèn)題。

泰克新一代示波器MSO4/5系列示波器基于泰克全新的TEK049 平臺(tái)打造，大大提升了其信號(hào)采集及處理速度，每條模擬及數(shù)字通道最高達(dá)到6.25GS/s 采樣率。讓我們來(lái)看看新一代示波器MSO4/5和傳統(tǒng)混合信號(hào)示波器的對(duì)比。

圖6不同采樣速率對(duì)數(shù)字信號(hào)細(xì)節(jié)還原對(duì)比

由圖6可以看出，對(duì)于現(xiàn)在越來(lái)越快的數(shù)字信號(hào)調(diào)試，需要更高的采樣速率捕獲數(shù)字信號(hào)細(xì)節(jié)，如果采樣率不夠就如圖6所示丟失掉信號(hào)的細(xì)節(jié)，甚至還原完全錯(cuò)誤的信息，當(dāng)然更無(wú)法捕獲快速的異常信號(hào)。

圖7可以看到一個(gè)40MHz的數(shù)字信號(hào)，其中一個(gè)非常小的干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致有2nS的快速脈沖，數(shù)字采樣率直接導(dǎo)致設(shè)定觸發(fā)條件的極限，如果是500MS/s 最快的脈沖觸發(fā)只能設(shè)定在4ns，但是泰克新一代示波器MSO4/5數(shù)字信號(hào)的時(shí)間分辨率提高了12倍，輕松準(zhǔn)確的捕獲更快的數(shù)字信號(hào)信息。

圖7 MSO4/5 數(shù)字信號(hào)時(shí)間分辨率

優(yōu)勢(shì)5：探頭的選擇與設(shè)置至關(guān)重要

探頭的作用至關(guān)重要，但為實(shí)現(xiàn)測(cè)量的最優(yōu)結(jié)果，必須進(jìn)行折衷，特別是在進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)。示波器標(biāo)配的無(wú)源探頭可能并不是實(shí)現(xiàn)最佳精度的解決方案。

1、選擇適當(dāng)衰減比的探頭。在高分辨率測(cè)量中，非常重要的一點(diǎn)是使信號(hào)幅度達(dá)到最大，同時(shí)使外部噪聲達(dá)到最小。探頭選擇是非常關(guān)鍵的第一步。電壓探頭與示波器的輸入阻抗構(gòu)成電壓分路器（如1X、10X、100X），一般會(huì)衰減輸入信號(hào)。1X探頭不會(huì)降低或衰減信號(hào)，10X 探頭則會(huì)把輸入降低到原始信號(hào)幅度的1/10。示波器通過(guò)放大信號(hào)來(lái)補(bǔ)償這種衰減，但示波器也會(huì)放大探頭和示波器增加的任何噪聲。從信噪比角度看，最優(yōu)探頭應(yīng)該沒(méi)有衰減或衰減很低。

圖8 TPP0502 高阻抗無(wú)源探頭提供了500 MHz 帶寬，但只有2 倍衰減。

2、使用短地線。最大限度地降低噪聲耦合。所有電壓測(cè)量都是相對(duì)于參考源進(jìn)行的，這個(gè)參考源通常是“接地”。準(zhǔn)確的測(cè)量，特別是低壓測(cè)量，尤其依賴到參考電壓的低阻抗路徑。為使信號(hào)失真和撿拾噪聲達(dá)到最小，使用的接地應(yīng)盡量短。最好的解決方案是最大限度地縮短地線長(zhǎng)度，并盡可能接近信號(hào)連接，把它連接到參考點(diǎn)上（如果條件允許建議使用接地彈簧）。

3、使用探頭的硬件濾波。當(dāng)選擇某些有源探頭時(shí)可以選擇性使用內(nèi)置探頭濾波器降低噪聲。這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)噪聲，有助于提高系統(tǒng)的信噪比。濾掉不想要的噪聲可以查看進(jìn)一步細(xì)節(jié)，獲得更高的測(cè)量分辨率。

4、使用探頭的DC耦合來(lái)測(cè)試小的AC信號(hào)。在涉及大電壓時(shí)，人身安全及設(shè)備可靠性至關(guān)重要，為準(zhǔn)確測(cè)量，非常重要的一點(diǎn)是信號(hào)要保持在標(biāo)稱工作范圍內(nèi)（如有源探頭的線性范圍或動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)）。

在DC 偏置上測(cè)量低電壓信號(hào)最簡(jiǎn)單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個(gè)信號(hào)，然后測(cè)量AC 分量 （圖9 左圖）。DC 偏置技術(shù)不允許AC 信號(hào)測(cè)量全面利用測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，信噪比會(huì)很差。

圖9左側(cè)AC+DC信號(hào)。右側(cè)去掉了DC分量，成比例縮放AC分量，以改善分辨率。

隨著電力電子技術(shù)，材料及器件技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)今工程師面臨著，更快，更小，更復(fù)雜信號(hào)的調(diào)試挑戰(zhàn)，更加準(zhǔn)確的測(cè)試不僅僅體現(xiàn)在測(cè)試設(shè)備本身的硬件指標(biāo)，還要考慮整體的測(cè)試系統(tǒng)的性能。泰克新一代示波器采樣全新的前端放大器，MSO4/5 還采用了泰克最新的TEK049 平臺(tái)打造，提供無(wú)與倫比的測(cè)試性能，尤其在精度方面大大提升。一個(gè)高精度的示波器測(cè)試系統(tǒng)要從信號(hào)的整個(gè)環(huán)節(jié)打造，從信號(hào)的接入，前端放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。

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