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提高示波器測試精準的五大因素是什么?
2021/2/15  14:44:26

  隨著電力電子技術的快速發展,低功耗器件的大量應用以及更加嚴苛的行業標準約束,對儀器測試的精度越來越關注,開始不滿足于市面上示波器幅度測試的分辨率和精度了。那么影響示波器測試精度的五大因素是什么呢?

  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采樣率和垂直分辨率性能的互相制約,目前市面上常見的示波器是采用8bit ADC。我們換個角度來看,理論上用滿其垂直的動態范圍,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)。顯而易見,高比特的ADC可以在測試精度上帶來非常大的提升。

  現在工程師面臨著很多小信號測試的挑戰,如果您是電源設計的工程師,紋波測試非常重要,過去紋波電壓從幾十到一百多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。這就對測試用的示波器的分辨率提出嚴峻的挑戰,泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC輕松解決微小信號的測試問題。

  還有就是疊加在一個大的信號上的小信號測試。為測試到完整的信號,需要選擇一個較大的量程,但是又要保證能測試到微小信號變化,如何能準確測試呢?歸根結底還是考驗示波器垂直分辨率的指標,請參考下圖就非常清晰顯示了其測試效果的對比。↘↘↘

不同位數ADC示波器測試小信號對比

  示波器前端放大器

  示波器信號接入第一部分就是前端放大器,它非常重要。前端放大器是專為微小信號測試而設計的,可以使測試設備有更廣泛的應用。但是前端放大器在放大有用信號的同時也將噪聲放大,理想的情況是選用噪聲系數較小的前置放大器。示波器可檢測的最小信號也主要取決于前置放大器的噪聲。

  在泰克全新一代示波器提升了前端放大器的硬件性能,本底噪聲降低30%,從而提升了小信號的測試精度。具體的請參考下圖:

泰克新MDO3系示波器和傳統示波器本底噪聲對比

  示波器采集模式

  在泰克示波器中,“采集模式”一詞指波形數據的原始表示,通常是8位分辨率。所有后續處理操作( 顯示、自動測量、光標、數學和應用) 都基于采集模式定義的信號數據表示。大多數示波器中默認的采集模式是采樣模式。這是最簡單的采集模式,在這種模式下,普通示波器以選擇的采樣率(直到最大采樣率)用8位量值表示波形上的每個點。

  在測量低壓小信號時,有兩種采集模式非常重要,具體視波形的可重復性而定,因為它們可以用來改善測量分辨率:平均模式和HiRes 模式,下面詳細介紹了這兩種模式。

 、 平均模式。平均模式是示波器采集系統中基本降噪的信號處理技術之一。通過使用兩次或兩次以上采集的數據,對采集的數據點采用逐點平均的方法,形成輸出波形。平均模式改善了信噪比,降低了與觸發無關的噪聲,提高了垂直分辨率,可以更簡便地觀察重復信號。

 、 高分辨率模式。

  HiRes模式,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鍵優勢,是即使單次采集也可以使用HiRes模式。

應優化所有采集階段,以實現最佳分辨率和噪聲性能

  示波器的采樣率

  對于當今嵌入式系統調試來說,混合信號已經非常普遍,最近幾年數字信號的速度越來越快,工程師對數字信號處理能力要求越來越高,很多工程師糾結是不是購買專用的邏輯分析儀來進行高速數字信號處理。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字信號處理呢?

  我們來確認下這個問題,當前市面上的MSO確實有數字信號處理能力,可以選配16路數字信號采集,也具有一定的分析功能,但是仔細確認發現其數字信號采樣能力有很大的限制。一般一臺示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s,而其數字通道的采樣率只有200MS/s,市面上最高數字采樣率到500MS/s。大家都知道采樣率對信號還原,尤其對偶發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,會對測試的結果存在疑慮。

不同采樣速率對數字信號細節還原對比

  由上圖可以看出,對于現在越來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5所示會丟失信號的細節,甚至還會顯示完全錯誤的信息。

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