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作者：泰克科技 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新低功耗器件的大量應(yīng)用以及更加嚴格的標準約束，工程師對測試的精度越來越敏感，開始不滿足現(xiàn)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?nèi)绾翁岣邷y試精度呢？ 優(yōu)勢1：示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 位數(shù) 為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數(shù)，但是因為ADC其采樣率和垂直分辨率的互相制約，目前市面上常見的示波器還是采用8bit ADC。換句角度來看，理論上用滿其垂直的動態(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), 從這個角度來看，高比特的ADC可以在測試精度上帶來非常大的提升。 現(xiàn)在工程師面臨著更多小信號測試的挑戰(zhàn)，如果您是做電源設(shè)計的工程師，紋波越來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mV的微小紋波測試。無疑對測試紋波的工具示波器提出嚴峻的挑戰(zhàn)，泰克全新一代示波器輕松解決微小信號測試問題。 還有一類更加挑戰(zhàn)的測試要求，就是小信號是疊加在一個大的信號之上如何能準確測試呢？歸根結(jié)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(shù)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(tǒng)的噪聲系數(shù)、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(tǒng)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，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復(fù)性而定，因為它們可以用來改善測量分辨率：平均模式和HiRes 模式。 主要介紹兩種會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(tǒng)中基本降噪信號處理技術(shù)之一。它依賴多次觸發(fā)采集重復(fù)的信號。通過使用來自兩次或兩次以上采集的數(shù)據(jù)，這種模式逐點平均采集中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點，形成輸出波形。平均模式改善了信噪比，降低了與觸發(fā)無關(guān)的噪聲，提高了垂直分辨率，可以更簡便地觀察重復(fù)信號。
圖3平均模式在多次采集中計算每個記錄點的平均值 可以修改傳統(tǒng)平均算法，每次在采集另一個波形時立即顯示結(jié)果，解決顯示平均的波形時延誤時間的問題。但是，數(shù)據(jù)存儲問題依舊沒有得到解決。穩(wěn)定的平均算法為： an = (1 / n) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1) 其中：an 是當前平均采集中的點 xn 是新采集n 中的點 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N 時，采集會停止，平均的波形中包含著具體N 個采集的波形。 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面上立即更新結(jié)果，明顯降低了要求的存儲容量。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 表示請求的平均總數(shù) an 是平均的采集中新的點 an-1 是過去平均的采集中的點 xn 是新采集中的點 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效應(yīng)。您可以在低速信號中看到這一點。如果信號是穩(wěn)定的，那么您會看到前N 次采集中噪聲連續(xù)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。平均功能提高了信號的垂直分辨率，對于信號周期穩(wěn)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 采集模式計算每個采集間隔中所有樣點的平均值 HiRes 模式是泰克已獲專利的采集方式，它計算并顯示每個采樣間隔中所有順序樣點值的平均值。這種模式提供了一種方法，用過采樣獲得與波形有關(guān)的進一步信息。在HiRes 模式下，通過獲得進一步水平采樣信息，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(dǎo)致的垂直分辨率提高程度會隨著儀器的最大采樣率和實際( 選擇的) 采樣率變化。實際采樣率一般顯示在屏幕底部附近，最大采樣率可以參見產(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/ 實際采樣率得到的-3 dB 帶寬( 除非受到測量系統(tǒng)模擬帶寬的進一步限制) 是： BW = 0.44 * SR 其中：SR 是實際采樣率 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(yīng)表
在許多泰克示波器中，平均算法是在硬件中實現(xiàn)的，采用固定點數(shù)學，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，會隨著應(yīng)用變化，但這種信號處理技術(shù)對許多應(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，它會用降低定時分辨率的方式，來改善垂直分辨率，這通過計算及顯示多個順序樣點的波形串平均值來實現(xiàn)。除波形串平均技術(shù)本身會發(fā)生低通濾波外，對每項個采樣率，它還對信號應(yīng)用一個唯一的FIR 平滑濾波器，對頻響進行整形，優(yōu)化垂直分辨率的改進程度。 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ASIC 上實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)。 另外，為改善用戶體驗，采集標志會顯示分辨率位數(shù)，活動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進一步降低表2 所示的帶寬。
圖5應(yīng)優(yōu)化所有采集階段，以實現(xiàn)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(tǒng)調(diào)試來說，混合信號已經(jīng)非常普遍，最近幾年數(shù)字信號的速度越來越快，工程師對數(shù)字信號處理能力要求越來越高，很多工程師糾結(jié)是不是購買專用的邏輯分析儀來進行高速數(shù)字信號處理。這里有個問題，市面上很多的示波器都名字為混合信號示波器MSO, 為什么不能用這類儀器來數(shù)字信號處理呢？ 我們來確認下這個問題，MSO確實有數(shù)字信號處理能力，市面MSO 的示波器可以選配16路數(shù)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(xiàn)其數(shù)字信號采樣能力確實很大的局限，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(shù)字信號的常規(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說，會非常糾結(jié)這個問題。 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(shù)字通道最高達到6.25GS/s 采樣率。讓我們來看看新一代示波器MSO4/5和傳統(tǒng)混合信號示波器的對比。
圖6不同采樣速率對數(shù)字信號細節(jié)還原對比 由圖6可以看出，對于現(xiàn)在越來越快的數(shù)字信號調(diào)試，需要更高的采樣速率捕獲數(shù)字信號細節(jié)，如果采樣率不夠就如圖6所示丟失掉信號的細節(jié)，甚至還原完全錯誤的信息，當然更無法捕獲快速的異常信號。 圖7可以看到一個40MHz的數(shù)字信號，其中一個非常小的干擾信號會導(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)字信號的時間分辨率提高了12倍，輕松準確的捕獲更快的數(shù)字信號信息。
圖7 MSO4/5 數(shù)字信號時間分辨率 優(yōu)勢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，但為實現(xiàn)測量的最優(yōu)結(jié)果，必須進行折衷，特別是在進行高精度測量時。示波器標配的無源探頭可能并不是實現(xiàn)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，非常重要的一點是使信號幅度達到最大，同時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(gòu)成電壓分路器（如1X、10X、100X），一般會衰減輸入信號。1X探頭不會降低或衰減信號，10X 探頭則會把輸入降低到原始信號幅度的1/10。示波器通過放大信號來補償這種衰減，但示波器也會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)該沒有衰減或衰減很低。
圖8 TPP0502 高阻抗無源探頭提供了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。所有電壓測量都是相對于參考源進行的，這個參考源通常是“接地”。準確的測量，特別是低壓測量，尤其依賴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(yīng)盡量短。最好的解決方案是最大限度地縮短地線長度，并盡可能接近信號連接，把它連接到參考點上（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可以選擇性使用內(nèi)置探頭濾波器降低噪聲。這進一步降低了系統(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一步細節(jié)，獲得更高的測量分辨率。 4、使用探頭的DC耦合來測試小的AC信號。在涉及大電壓時，人身安全及設(shè)備可靠性至關(guān)重要，為準確測量，非常重要的一點是信號要保持在標稱工作范圍內(nèi)（如有源探頭的線性范圍或動態(tài)范圍內(nèi)）。 在DC 偏置上測量低電壓信號最簡單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個信號，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(tǒng)的動態(tài)范圍，信噪比會很差。
圖9左側(cè)AC+DC信號。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，當今工程師面臨著，更快，更小，更復(fù)雜信號的調(diào)試挑戰(zhàn)，更加準確的測試不僅僅體現(xiàn)在測試設(shè)備本身的硬件指標，還要考慮整體的測試系統(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 平臺打造，提供無與倫比的測試性能，尤其在精度方面大大提升。一個高精度的示波器測試系統(tǒng)要從信號的整個環(huán)節(jié)打造，從信號的接入，前端放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。 |
