對(duì)于測(cè)試儀器來(lái)說(shuō)，精度、可靠性、穩(wěn)定性及功能是非常重要的幾個(gè)指標(biāo)，這也決定了工程師對(duì)測(cè)試結(jié)果的信心。基于示波器的設(shè)計(jì)原理，它具有非常高的采樣速率，時(shí)間精度可以保證，但很多工程師卻忽略了其幅度的測(cè)試精度。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，低功耗器件的大量應(yīng)用以及更加嚴(yán)苛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約束，工程師對(duì)測(cè)試的精度越來(lái)越關(guān)注，開(kāi)始不滿足于市面上示波器幅度測(cè)試的分辨率和精度了。

對(duì)于示波器這種測(cè)試儀器，如何選擇和設(shè)定可以獲得最優(yōu)的測(cè)試精度呢？

圖1. 示波器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，您可以把數(shù)字示波器看成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)改善測(cè)量結(jié)果（參照?qǐng)D1）。在對(duì)示波器工作模式、探頭特點(diǎn)、濾波技術(shù)及整個(gè)系統(tǒng)交互方式有了基本了解之后，您可以改善小信號(hào)的測(cè)量效果。

為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，必須考慮整條信號(hào)路徑，從探頭尖端，到示波器的模擬前端、采樣和數(shù)字信號(hào)處理。如圖1所示的每個(gè)系統(tǒng)單元都會(huì)影響測(cè)量精度，可以進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。

影響示波器測(cè)試精度的五大因素

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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采樣率和垂直分辨率性能的互相制約，目前市面上常見(jiàn)的示波器是采用8bit ADC。我們換個(gè)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）。顯而易見(jiàn)，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)在工程師面臨著很多小信號(hào)測(cè)試的挑戰(zhàn)，如果您是電源設(shè)計(jì)的工程師，紋波測(cè)試非常重要，過(guò)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(jī)上小到幾個(gè)mV的微小紋波測(cè)試。這就對(duì)測(cè)試用的示波器的分辨率提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC輕松解決微小信號(hào)的測(cè)試問(wèn)題。

還有就是疊加在一個(gè)大的信號(hào)上的小信號(hào)測(cè)試。為測(cè)試到完整的信號(hào)，需要選擇一個(gè)較大的量程，但是又要保證能測(cè)試到微小信號(hào)變化，如何能準(zhǔn)確測(cè)試呢？歸根結(jié)底還是考驗(yàn)示波器垂直分辨率的指標(biāo)，請(qǐng)參考圖2就非常清晰顯示了其測(cè)試效果的對(duì)比。↘↘↘

圖2. 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，幫助您準(zhǔn)確捕獲微小信號(hào)。

示波器前端放大器

示波器信號(hào)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(hào)測(cè)試而設(shè)計(jì)的，可以使測(cè)試設(shè)備有更廣泛的應(yīng)用。但是前端放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大，理想的情況是選用噪聲系數(shù)較小的前置放大器。示波器可檢測(cè)的最小信號(hào)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(hào)的測(cè)試精度。具體的請(qǐng)參考圖3：

圖3. 泰克新MDO3系示波器和傳統(tǒng)示波器本底噪聲對(duì)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(shù)據(jù)的原始表示，通常是8位分辨率。所有后續(xù)處理操作（ 顯示、自動(dòng)測(cè)量、光標(biāo)、數(shù)學(xué)和應(yīng)用） 都基于采集模式定義的信號(hào)數(shù)據(jù)表示。大多數(shù)示波器中默認(rèn)的采集模式是采樣模式。這是最簡(jiǎn)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(gè)點(diǎn)。

在測(cè)量低壓小信號(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，下面詳細(xì)介紹了這兩種模式。

① 平均模式。平均模式是示波器采集系統(tǒng)中基本降噪的信號(hào)處理技術(shù)之一。通過(guò)使用兩次或兩次以上采集的數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用逐點(diǎn)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(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)。

計(jì)算平均波形的傳統(tǒng)方法是先簡(jiǎn)單地加總所有采集中的對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)，然后除以采集次數(shù)。但是，這種方法要一直等到采集了所需的全部N個(gè)波形之后，才能顯示平均值。耽誤的時(shí)間對(duì)大部分用戶是不可接受的，采集數(shù)據(jù)量會(huì)迅速超出示波器的內(nèi)存容量。

AN = （1 / N） * （x0 + x1 + x2 + … + xn-1）

其中：AN是平均模式的采集的點(diǎn)；N表示請(qǐng)求的平均總數(shù)；xn是n次采集的點(diǎn)；n表示采集次數(shù)

圖4. 平均模式在多次采集中計(jì)算每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值

當(dāng)然可以修改傳統(tǒng)的平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)立即顯示結(jié)果，解決顯示平均后的波形所延誤時(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)前平均采集的點(diǎn)；xn是新采集n個(gè)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，可以在每次采集后立即更新和顯示波形，這大大降低了要求的存儲(chǔ)容量。指數(shù)平均模式采用下面的公式，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是新采集的點(diǎn)；p是平均因數(shù)

如果（n《N），那么p = n，否則p = N得到的平均后的波形相同，與使用哪種平均算法無(wú)關(guān)。但要注意，不管是采集的波形還是平均的波形，指數(shù)平均算法的效率都要高得多。

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？請(qǐng)看下面的方法。

圖5. 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

② 高分辨率模式。

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)際選擇的采樣率而變化。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5GS/s示波器打開(kāi)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)運(yùn)算，得到大約16位的最大分辨率。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。

對(duì)于硬件12bit ADC示波器高分辨率模式效果更佳突出，詳細(xì)信息請(qǐng)參考下表：

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(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(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，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。

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)，輸入通道的垂直標(biāo)志表明-3dB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設(shè)置的模擬帶寬限制會(huì)進(jìn)一步降低表2所示的帶寬。

圖6. 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

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(lèi)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，當(dāng)前市面上的MSO確實(shí)有數(shù)字信號(hào)處理能力，可以選配16路數(shù)字信號(hào)采集，也具有一定的分析功能，但是仔細(xì)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)其數(shù)字信號(hào)采樣能力有很大的限制。一般一臺(tái)示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s，而其數(shù)字通道的采樣率只有200MS/s，市面上最高數(shù)字采樣率到500MS/s。大家都知道采樣率對(duì)信號(hào)還原，尤其對(duì)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)對(duì)測(cè)試的結(jié)果存在疑慮。

泰克新一代示波器MSO4/MSO5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)字通道都可以設(shè)定高達(dá)6.25GS/s 采樣率。讓我們來(lái)看看新一代示波器MSO4/MSO5和傳統(tǒng)混合信號(hào)示波器的測(cè)試對(duì)比。

圖7. 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7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7所示會(huì)丟失信號(hào)的細(xì)節(jié)，甚至還會(huì)顯示完全錯(cuò)誤的信息。

圖8. MSO4/MSO5高速異常數(shù)字信號(hào)的捕獲

圖8可以看到一個(gè)40MHz的數(shù)字信號(hào)，其中偶發(fā)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/MSO5數(shù)字信號(hào)的時(shí)間分辨率提高了12倍，輕松準(zhǔn)確的捕獲高速的數(shù)字信號(hào)。

探頭的選擇與設(shè)置至關(guān)重要

探頭的作用至關(guān)重要，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)。有時(shí)示波器標(biāo)配的無(wú)源探頭并不是實(shí)現(xiàn)最佳精度的解決方案。

1、選擇適當(dāng)衰減比的探頭。最大限度地降低衰減，使信噪比達(dá)到最優(yōu)。在精確測(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），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)把輸入信號(hào)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，遺憾的是，示波器也會(huì)放大探頭引入的任何噪聲。從信噪比角度來(lái)看，最優(yōu)探頭應(yīng)該沒(méi)有衰減或衰減很低的。

圖9. 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)失真和引入噪聲達(dá)到最小，使用的接地線應(yīng)盡量短。

盡管標(biāo)準(zhǔn)無(wú)源探頭上的長(zhǎng)地線會(huì)方便連接信號(hào)，但地線電感會(huì)與輸入電容諧振，在快速邊沿上導(dǎo)致振鈴。由探頭尖端和地線構(gòu)成的大環(huán)路面積會(huì)把噪聲磁耦合到信號(hào)中。此外，地線的感性電抗與開(kāi)關(guān)器件等噪聲源接近，會(huì)把噪聲耦合到信號(hào)中。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)端，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。許多有源差分電壓探頭或電流探頭標(biāo)配帶寬濾波功能。有時(shí)為靈活起見(jiàn)，探頭機(jī)身內(nèi)置的帶寬濾波功能提供了多種帶寬設(shè)置。

在某些情況下，在選擇其中一個(gè)帶寬濾波器時(shí)，探頭會(huì)與示波器通信，另外還會(huì)在示波器前端打開(kāi)硬件濾波功能。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。

圖10. 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。

4、使用探頭的DC偏置來(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，以便檢驗(yàn)最大電壓完全落在測(cè)試系統(tǒng)的“絕對(duì)”或“非破壞”最大輸入指標(biāo)內(nèi)。此外，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)）

如果說(shuō)接近低電平的小信號(hào)測(cè)量極具挑戰(zhàn)性，那么測(cè)量位于大DC電壓信號(hào)上的低壓AC信號(hào)的難度則要大得多。在電源上進(jìn)行紋波測(cè)量是這種應(yīng)用的常見(jiàn)實(shí)例。進(jìn)行DC 偏置可能會(huì)涉及探頭設(shè)置以及示波器前端設(shè)置。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10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。

最后劃一遍重點(diǎn)！

隨著電力電子技術(shù)，新材料及器件技術(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。

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。

泰克4系列MSO混合信號(hào)示波器

-12 bit ADC！

-升級(jí)版前端放大器！

-High Res 專利采集模式！

-6.25GS/s采樣率！

-多功能兼容探頭！

完美符合您對(duì)一臺(tái)高精度示波器的期待！

泰克專注示波器70多年，追求卓越，打造經(jīng)典，不斷創(chuàng)新是我們作為工程師人的一貫理念。

我們是泰克，我們?yōu)楣こ處煻鴦?chuàng)！