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作者：泰克科技 隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，新低功耗器件的大量應用以及更加嚴格的標準約束，工程師對測試的精度越來(lái)越敏感，開(kāi)始不滿(mǎn)足現有示波器幅度測試的分辨率和精度了。影響示波器測試精度的因素都有哪些呢？我們如何提高測試精度呢？ 優(yōu)勢1：示波器模數轉換器ADC 位數 為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數，但是因為ADC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(mǎn)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可以在測試精度上帶來(lái)非常大的提升。 現在工程師面臨著(zhù)更多小信號測試的挑戰，如果您是做電源設計的工程師，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上小到幾個(gè)mV的微小紋波測試。無(wú)疑對測試紋波的工具示波器提出嚴峻的挑戰，泰克全新一代示波器輕松解決微小信號測試問(wèn)題。 還有一類(lèi)更加挑戰的測試要求，就是小信號是疊加在一個(gè)大的信號之上如何能準確測試呢？歸根結底還是驗證示波器的垂直分辨率的指標，為測試到信號的整體，可能選擇一個(gè)較大的量程，但是又要看到其微小信號變化，請參考圖1就非常清晰了解其測試效果的不同。 
圖1 不同位數ADC示波器測試小信號對比 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。 優(yōu)勢2：示波器前端放大器 示波器檢測系統的噪聲系數、可檢測的最小信號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30%，從而提升了信號測試精度。具體的請參考圖2：
圖2 泰克新MDO3系示波器和傳統示波器本底噪聲對比 優(yōu)勢3：示波器采集模式 在測量低壓信號時(shí)，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復性而定，因為它們可以用來(lái)改善測量分辨率：平均模式和HiRes 模式。 主要介紹兩種會(huì )提升測試精度的方法： ①平均模式。平均模式示波器采集系統中基本降噪信號處理技術(shù)之一。它依賴(lài)多次觸發(fā)采集重復的信號。通過(guò)使用來(lái)自?xún)纱位騼纱我陨喜杉臄祿�，這種模式逐點(diǎn)平均采集中對應的數據點(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(guān)察重復信號。
圖3平均模式在多次采集中計算每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值 可以修改傳統平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)立即顯示結果，解決顯示平均的波形時(shí)延誤時(shí)間的問(wèn)題。但是，數據存儲問(wèn)題依舊沒(méi)有得到解決。穩定的平均算法為： an = (1 / n) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1) 其中：an 是當前平均采集中的點(diǎn) xn 是新采集n 中的點(diǎn) n 表示采集次數 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N 時(shí)，采集會(huì )停止，平均的波形中包含著(zhù)具體N 個(gè)采集的波形。 泰克示波器采用指數平均算法，可以在每次采集后在顯示畫(huà)面上立即更新結果，明顯降低了要求的存儲容量。指數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 N 表示請求的平均總數 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 如果(n 這兩種算法都可以立即顯示波形中一致的趨勢效應。您可以在低速信號中看到這一點(diǎn)。如果信號是穩定的，那么您會(huì )看到前N 次采集中噪聲連續下降。在N 次采集后，信號仍將變化，但整體降噪或垂直分辨率不再有改觀(guān)。平均功能提高了信號的垂直分辨率，對于信號周期穩定的波形非常有效。對于周期及幅值都變化的波形如何提高測試精度呢？ ②高分辨率模式。
圖4 HiRes 采集模式計算每個(gè)采集間隔中所有樣點(diǎn)的平均值 HiRes 模式是泰克已獲專(zhuān)利的采集方式，它計算并顯示每個(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，是即使單次采集也可以使用HiRes 模式。 帶寬限制及由于HiRes 導致的垂直分辨率提高程度會(huì )隨著(zhù)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。垂直分辨率位數為： 垂直位數= 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( 除非受到測量系統模擬帶寬的進(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 增強的垂直分辨率對應表
在許多泰克示波器中，平均算法是在硬件中實(shí)現的，采用固定點(diǎn)數學(xué)，得到大約16 位的最大分辨率值。觀(guān)察到的分辨率改善程度略低，會(huì )隨著(zhù)應用變化，但這種信號處理技術(shù)對許多應用尤其有效。 High Res 模式是一種全新的泰克已獲得專(zhuān)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(lèi)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)計算及顯示多個(gè)順序樣點(diǎn)的波形串平均值來(lái)實(shí)現。除波形串平均技術(shù)本身會(huì )發(fā)生低通濾波外，對每項個(gè)采樣率，它還對信號應用一個(gè)唯一的FIR 平滑濾波器，對頻響進(jìn)行整形，優(yōu)化垂直分辨率的改進(jìn)程度。 表2 MSO4和MSO5系列示波器加強型高分辨率模式對照表
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A(yíng)SIC 上實(shí)現數字信號處理技術(shù)。 另外，為改善用戶(hù)體驗，采集標志會(huì )顯示分辨率位數，活動(dòng)通道的垂直標志表明-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應優(yōu)化所有采集階段，以實(shí)現最佳分辨率和噪聲性能 優(yōu)勢4：示波器的采樣率 對于當今嵌入式系統調試來(lái)說(shuō)，混合信號已經(jīng)非常普遍，最近幾年數字信號的速度越來(lái)越快，工程師對數字信號處理能力要求越來(lái)越高，很多工程師糾結是不是購買(mǎi)專(zhuān)用的邏輯分析儀來(lái)進(jìn)行高速數字信號處理。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示波器MSO, 為什么不能用這類(lèi)儀器來(lái)數字信號處理呢？ 我們來(lái)確認下這個(gè)問(wèn)題，MSO確實(shí)有數字信號處理能力，市面MSO 的示波器可以選配16路數字信號處理，也具有一定的分析功能，但是仔細確認有發(fā)現其數字信號采樣能力確實(shí)很大的局限，一般一臺示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s，但是MSO示波器數字信號的常規的采樣率只有200MS/s，市面上最高到500MS/s。大家都知道采樣率對信號還原尤其是偶發(fā)異常信號捕獲的重要性，所以就目前的市面的MSO系列混合信號示波器來(lái)說(shuō)，會(huì )非常糾結這個(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 平臺打造，大大提升了其信號采集及處理速度，每條模擬及數字通道最高達到6.25GS/s 采樣率。讓我們來(lái)看看新一代示波器MSO4/5和傳統混合信號示波器的對比。
圖6不同采樣速率對數字信號細節還原對比 由圖6可以看出，對于現在越來(lái)越快的數字信號調試，需要更高的采樣速率捕獲數字信號細節，如果采樣率不夠就如圖6所示丟失掉信號的細節，甚至還原完全錯誤的信息，當然更無(wú)法捕獲快速的異常信號。 圖7可以看到一個(gè)40MHz的數字信號，其中一個(gè)非常小的干擾信號會(huì )導致有2nS的快速脈沖，數字采樣率直接導致設定觸發(fā)條件的極限，如果是500MS/s 最快的脈沖觸發(fā)只能設定在4ns,但是泰克新一代示波器MSO4/5數字信號的時(shí)間分辨率提高了12倍，輕松準確的捕獲更快的數字信號信息。
圖7 MSO4/5 數字信號時(shí)間分辨率 優(yōu)勢5：探頭的選擇與設置至關(guān)重要 探頭的作用至關(guān)重要，但為實(shí)現測量的最優(yōu)結果，必須進(jìn)行折衷，特別是在進(jìn)行高精度測量時(shí)。示波器標配的無(wú)源探頭可能并不是實(shí)現最佳精度的解決方案。 1、選擇適當衰減比的探頭。在高分辨率測量中，非常重要的一點(diǎn)是使信號幅度達到最大，同時(shí)使外部噪聲達到最小。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成電壓分路器（如1X、10X、100X），一般會(huì )衰減輸入信號。1X探頭不會(huì )降低或衰減信號，10X 探頭則會(huì )把輸入降低到原始信號幅度的1/10。示波器通過(guò)放大信號來(lái)補償這種衰減，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(xiàn)。最大限度地降低噪聲耦合。所有電壓測量都是相對于參考源進(jìn)行的，這個(gè)參考源通常是“接地”。準確的測量，特別是低壓測量，尤其依賴(lài)到參考電壓的低阻抗路徑。為使信號失真和撿拾噪聲達到最小，使用的接地應盡量短。最好的解決方案是最大限度地縮短地線(xiàn)長(cháng)度，并盡可能接近信號連接，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。當選擇某些有源探頭時(shí)可以選擇性使用內置探頭濾波器降低噪聲。這進(jìn)一步降低了系統噪聲，有助于提高系統的信噪比。濾掉不想要的噪聲可以查看進(jìn)一步細節，獲得更高的測量分辨率。 4、使用探頭的DC耦合來(lái)測試小的AC信號。在涉及大電壓時(shí)，人身安全及設備可靠性至關(guān)重要，為準確測量，非常重要的一點(diǎn)是信號要保持在標稱(chēng)工作范圍內（如有源探頭的線(xiàn)性范圍或動(dòng)態(tài)范圍內）。 在DC 偏置上測量低電壓信號最簡(jiǎn)單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個(gè)信號，然后測量AC 分量 (圖9 左圖)。DC 偏置技術(shù)不允許AC 信號測量全面利用測量系統的動(dòng)態(tài)范圍，信噪比會(huì )很差。
圖9左側AC+DC信號。右側去掉了DC分量，成比例縮放AC分量，以改善分辨率。 隨著(zhù)電力電子技術(shù)，材料及器件技術(shù)的高速發(fā)展，當今工程師面臨著(zhù)，更快，更小，更復雜信號的調試挑戰，更加準確的測試不僅僅體現在測試設備本身的硬件指標，還要考慮整體的測試系統的性能。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 平臺打造，提供無(wú)與倫比的測試性能，尤其在精度方面大大提升。一個(gè)高精度的示波器測試系統要從信號的整個(gè)環(huán)節打造，從信號的接入，前端放大器，模數轉換及后續的數據處理分析。 |
