盡量擴(kuò)大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍
﹒通過(guò)計(jì)算平均值提高測(cè)量分辨率
﹒利用高分辨率采集提高測(cè)量分辨率
﹒使用交流耦合去除直流偏置
﹒使用示波器和探頭限制帶寬
﹒選擇優(yōu)化信號(hào)完整性的探測(cè)方法
﹒使用差分探頭進(jìn)行安全且精確的浮置測(cè)量
﹒不要選擇耦合輻射功率的探測(cè)附件
﹒選擇避開(kāi)示波器最靈敏設(shè)置的探頭
1、通過(guò)計(jì)算平均值提高測(cè)量分辨率
在某些功率測(cè)量應(yīng)用中，您需要測(cè)量大動(dòng)態(tài)范圍的值，同時(shí)還需要精細(xì)的分辨率，以測(cè)量參數(shù)的微小變化。除了借助高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器之外，您也可以使用其他采集方法來(lái)降低隨機(jī)噪聲并增加測(cè)量的有效動(dòng)態(tài)范圍，例如求平均值法和高分辨率采集法。
求平均值法要求被測(cè)信號(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。該算法對(duì)每段時(shí)間內(nèi)多次采集的點(diǎn)求平均值。
這樣可以降低隨機(jī)噪聲，為您提供更高的垂直分辨率。
垂直分辨率每增加一位，需要計(jì)算多少平均值？答案是每計(jì)算 4 個(gè)采樣平均值，便可將垂直分辨率增加 1 位。原理如下：
增加的位數(shù) = 0.5 log2 N
N = 計(jì)算平均值的采樣數(shù)
例如，對(duì) 16 個(gè)采樣求平均值，垂直分辨率將增加：
位數(shù) = 0.5 log2 16 = 2
因此，有效垂直分辨率為 8 + 2 = 10 位。
這種算法最高可將垂直分辨率提高到 12 位，因?yàn)樵倮^續(xù)下去，其他因數(shù)( 例如示波器的垂直增益或偏置精度) 將起到?jīng)Q定性作用。平均值模式的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)示波器的實(shí)時(shí)帶寬沒(méi)有任何限制。缺點(diǎn)是僅適用于重復(fù)信號(hào)，并且會(huì)降低波形更新速率。
▲圖1.正常采集模式下捕獲的開(kāi)關(guān)電源 Vds
▲圖2.正常平均模式下捕獲的 Vds
2、利用高分辨率采集提高測(cè)量分辨率
降低噪聲的第 2 個(gè)方法是高分辨率模式，它不要求被測(cè)信號(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。Keysight InfiniiVision 3000 X 系列等現(xiàn)代化示波器在正常采集模式下可提供 8 位垂直分辨率( 與大多數(shù)其他數(shù)字化示波器類(lèi)似)。然而像平均模式一樣，高分辨率模式最高也只能達(dá)到12 位的垂直分辨率。
高分辨率模式是對(duì)同一次采集的連續(xù)點(diǎn)求平均值，而不是對(duì)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)多次采集的點(diǎn)求平均值。在高分辨率模式中，您不能像在平均模式中那樣，直接控制平均值數(shù)量。垂直分辨率增加的位數(shù)由示波器的時(shí)間/ 格設(shè)置決定。
當(dāng)在較慢時(shí)基范圍狀態(tài)下工作時(shí)，示波器會(huì)連續(xù)過(guò)濾相繼的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將過(guò)濾結(jié)果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器深度，也會(huì)同時(shí)增加進(jìn)行平均值計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。高分辨率模式下，掃描速度越快，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越少，因此效果就越差。相反，掃描速度越慢，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越多，效果也就越顯著。
3、使用交流耦合去除直流偏置
如果您正重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)的紋波，可能不會(huì)注意到其直流偏置。一般情況下，紋波和噪聲與電源電壓相比是極小的。如果您使用示波器的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)這種偏置進(jìn)行定量測(cè)量，那么在遇到更微小的信號(hào)細(xì)節(jié)時(shí)，可能就無(wú)法進(jìn)行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為“交流”，可以從測(cè)量結(jié)果中去除直流偏置，從而最大限度提高測(cè)量的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。
▲圖3. 在高分辨率模式下捕獲的 Vds
4、使用示波器和探頭限制帶寬
這種降低噪聲、增加動(dòng)態(tài)范圍的方法雖然簡(jiǎn)單，但常常被忽視。電源信號(hào)內(nèi)容與示波器的標(biāo)稱(chēng)帶寬相比往往低得多(kHz 至幾十 MHz 級(jí))。多余的帶寬不會(huì)傳輸任何信號(hào)信息，只會(huì)給測(cè)量帶來(lái)額外的噪聲。
大多數(shù)示波器使用專(zhuān)用的硬件濾波器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題――通常是 20 至 25 MHz 低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它不會(huì)影響示波器的更新速率。
另一種解決辦法是使用探頭限制帶寬。測(cè)量鏈的帶寬受其“最弱一環(huán)”的限制。500MHz 示波器配備 10 MHz 探頭，其帶寬將會(huì)是 10 MHz。是德科技提供了多種無(wú)源、有源的電流和差分探頭，總有一款探頭的帶寬會(huì)適合您的特定測(cè)量。
5、使用差分探頭進(jìn)行安全且精確的浮置測(cè)量
示波器探頭上的接地引線通過(guò) BNC 連接器的外殼連接到機(jī)箱。出于安全考慮，示波器的機(jī)箱通過(guò)電源線的接地插頭連接到接地基準(zhǔn)面。示波器與電源的接地方式不同，兩者
之間可能產(chǎn)生沖突。許多需要測(cè)量的信號(hào)都是以電勢(shì)而不是以接地作為基準(zhǔn)( 浮置)。電源設(shè)計(jì)人員采用各種方法來(lái)克服這一測(cè)量限制。
最常用的方法是，通過(guò)切斷電源線的防護(hù)接地插頭，或在電源線路中使用隔離變壓器，使示波器“浮置”( 隔離)。這種方法非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗锌赡茉谑静ㄆ鳈C(jī)箱上形成高電壓。此外，使用浮置示波器執(zhí)行測(cè)量，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不精確。
測(cè)量浮置電源信號(hào)的另一種方法是，使用兩個(gè)單端電壓探頭執(zhí)行測(cè)量，再用通道 A 的測(cè)量結(jié)果減去通道 B 的測(cè)量結(jié)果，即得到浮置電源信號(hào)。使用兩個(gè)輸入通道和探頭來(lái)測(cè)量感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。然后使用示波器上的波形運(yùn)算功能，將兩個(gè)通道上的電信號(hào)相減，得到差分信號(hào)的軌跡。
這種方法相對(duì)安全一些，因?yàn)槭静ㄆ魇冀K保持接地。然而當(dāng)共模信號(hào)相對(duì)較小時(shí)，此時(shí)使用的兩個(gè)探頭輸入通道之間的增益會(huì)發(fā)生失配，因此共模抑制比較低，大約不到 20dB(10:1)，從而使測(cè)量受到一定的限制。
進(jìn)行安全、精確的浮置測(cè)量，最好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供較高的共模抑制比，通常達(dá)到 80 dB 或 10，000:1 甚至更高，因此您可以適合的精度和高靈敏度測(cè)量大共模信號(hào)掩蓋下的小差分信號(hào)。使用動(dòng)態(tài)范圍和帶寬足夠滿足應(yīng)用需求的差分探頭，可實(shí)現(xiàn)安全和精確的浮置測(cè)量。
6、不要選擇耦合輻射功率的探測(cè)附件
請(qǐng)務(wù)必謹(jǐn)慎選擇探測(cè)附件。通用無(wú)源探頭在標(biāo)準(zhǔn)配置中通常提供 15 厘米長(zhǎng)接地引線和掛鉤探針，這兩種附件可能會(huì)探測(cè)到電源或其他器件所產(chǎn)生的噪聲。此外，長(zhǎng)接地連接往往會(huì)產(chǎn)生電感負(fù)載，給被測(cè)信號(hào)增加振鈴。
反之，較小的探針、較短的接地連接――例如使用電路板上的 BNC 適配器或卡口式接地引線――可以顯著減少探測(cè)到的噪聲。其原理是通過(guò)盡量減少連接匝數(shù)，以及降低電感負(fù)載，來(lái)減少噪聲。
7、選擇避開(kāi)示波器最靈敏設(shè)置的探頭
如果您測(cè)量電源的紋波和噪聲幅度，可能要用到示波器最靈敏或接近最靈敏的 V/ 格設(shè)置。這正好處于放大器性能范圍的邊緣。雖然測(cè)試儀器可能會(huì)在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)工作，但是實(shí)際的測(cè)量效果也許還比不上它的“基本”性能。
在這種情況下，您應(yīng)考慮使用 1:1 探頭，而不是使用儀器標(biāo)配的 10:1 無(wú)源探頭。若使用 10:1 探頭，不僅示波器的基線本底噪聲會(huì)增加 10 倍，而且示波器的最小 V/ 格設(shè)置也會(huì)比使用 1:1 探頭時(shí)大 10 倍。這會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，從而使測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍縮小。使用衰減比較小的探頭，只要測(cè)量的信號(hào)不超過(guò)示波器的最大輸入電壓，就可以獲得出色的信號(hào)完整性。
