在很多應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員和測試測量工程師需要進(jìn)行寬動(dòng)態(tài)范圍測量，以便在信號幅度較大的情況中查看非常小的信號。此類應(yīng)用包括電源完整性保證、雷達(dá)和聲納之類的回波定位和測距系統(tǒng)、核磁共振 （NMR） 和磁共振成像 （MRI） 之類的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，以及采用超聲波的無損檢測。

　　在系統(tǒng)開發(fā)和原型設(shè)計(jì)階段，示波器當(dāng)然是進(jìn)行這些測量的首選工具，但這些主要受限于示波器前端的垂直分辨率。例如，8 位示波器的動(dòng)態(tài)范圍為 256:1，因此對于 1 V 范圍，理論最小信號為 3.9 毫伏 （mV）。若要在 3.3 V 總線上查看毫伏級紋波信號，則需要更高的靈敏度和偏移范圍。另外，當(dāng)使用高衰減探針來防止電路負(fù)載效應(yīng)時(shí)，信號電平會在示波器輸入端產(chǎn)生衰減，除非儀器具有很高的分辨率，否則將難以測量。

　　問題在于，在有較大信號或偏移的情況下，要實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度，必須使用更高分辨率的示波器，但此類示波器通常很昂貴，低噪聲輸入的高質(zhì)量示波器尤其如此。僅有較高分辨率而沒有較低本底噪聲，這將毫無用處。

　　設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員需要的是：價(jià)格合理且前端本底噪聲很低的 12 位示波器。若要滿足這種高分辨率、低前端噪聲和低成本的需求，一種解決方案就是 Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列高清示波器。本文將討論高動(dòng)態(tài)范圍測量的困難、高清示波器的作用，以及如何有效地將其用于高動(dòng)態(tài)范圍測量。

　　示波器垂直分辨率

　　示波器垂直分辨率是指示波器可以處理的最高輸入信號與可以檢測到的最小信號幅度之比。分辨率一般由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的位數(shù)來量化。分辨率等于 2 的位數(shù)次冪。因此，8 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 28 或 256:1。12 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 4096:1，是 8 位轉(zhuǎn)換器的 16 倍。

　　多年來，在較高帶寬示波器中，數(shù)字示波器提供 8 位分辨率。這是因?yàn)?ADC 做了工程折中，使得以位數(shù)衡量的分辨率與 ADC 的最大采樣率成反比。大約八年前，Teledyne LeCroy 率先推出 12 位示波器，稱為高清或“HD”示波器。該公司的高清產(chǎn)品線最近新增了 WaveSurfer 4000HD 系列。該系列包括四款示波器，帶寬分別為 200、350、500 和 1000 兆赫茲 （MHz）。這些示波器的采樣率皆為每秒 5 千兆樣本 （GS/s），這對于 12 位示波器而言是非常可觀的。內(nèi)置混合信號數(shù)字輸入、DVM、函數(shù)發(fā)生器和頻率計(jì)數(shù)器使這種多儀器產(chǎn)品更加完善。該系列以合理的價(jià)格提供所有這些功能以及 12 位分辨率。

　　當(dāng)然，提高示波器分辨率需要的不僅僅是簡單地改變 ADC，還需要增強(qiáng)示波器前端的信噪比 （SNR），避免靈敏的 ADC 充滿噪聲。采用 8 位前端的 12 位示波器仍然是 8 位示波器。但是，WaveSurfer 4000HD 示波器系列已成功實(shí)現(xiàn) HD 概念。12 位垂直分辨率加上低噪聲前端，實(shí)現(xiàn)了 12 位性能。對于任何給定幅度范圍，其靈敏度實(shí)際上是 8 位示波器的 16 倍。

　　12 位與 8 位測量比較

　　高清示波器旨在用于波形動(dòng)態(tài)范圍較高的測量應(yīng)用。這些測量既有高幅度信號分量，又有低信號電平。下面以超聲波測距儀等應(yīng)用為例。它發(fā)送一個(gè)高幅度脈沖，然后等待目標(biāo)反射回來的低幅度回波。高幅度信號決定了示波器垂直放大器的所需電壓范圍。分辨率和系統(tǒng)噪聲決定了可測量的最小回波信號（圖 1）。

圖 1：12 位和 8 位垂直分辨率所呈現(xiàn)的同一超聲信號。上方跡線包括完整信號的兩個(gè)版本，彼此重疊。下方跡線顯示了波形的縮放部分。雖然高幅度信號分量看起來幾乎沒有什么區(qū)別，但是針對較低電平信號時(shí)，12 位分辨率的優(yōu)勢明顯。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　上方網(wǎng)格以 12 位和 8 位分辨率顯示采集的信號（相互重疊）。重疊的波形之間幾乎看不到什么差異。中間網(wǎng)格顯示了沿水平和垂直方向擴(kuò)展的 12 位波形。下方網(wǎng)格顯示了 8 位波形的同一部分。8 位版本中低電平信號的細(xì)節(jié)損失非常明顯。另請注意，12 位版本中的信號峰值顯示出明顯的差異，8 位版本中則沒有這些差異。

　　高動(dòng)態(tài)范圍測量應(yīng)用

　　高動(dòng)態(tài)范圍測量包括所有回波定位和測距應(yīng)用，例如雷達(dá)、聲納和 LiDAR。NMR 和 MRI 等很多醫(yī)學(xué)成像技術(shù)都是基于相似的技術(shù)：讓高電平發(fā)射脈沖從身體上彈回，繼而獲取并分析發(fā)射信號所引起的回聲或受激發(fā)射。同樣，基于超聲的技術(shù)（如無損檢測 （NDT））使用反射的超聲脈沖，來發(fā)現(xiàn)固體材料中的裂紋和缺陷。

　　電源完整性測量也需要高動(dòng)態(tài)范圍示波器，這種測量在 1 V 到 48 V 或更高的總線電壓上測量噪聲和紋波等毫伏級小信號。

　　考慮利用甚至簡單的超聲波測距儀或電子卷尺測量信號（圖 2）。每次測量時(shí)，超聲波測距儀發(fā)出五個(gè)脈沖，間隔時(shí)間約為 16.8 ms。Teledyne LeCroy 的 12 位示波器 WaveSurfer 4104HD 不是捕獲這些脈沖之間的死區(qū)時(shí)間，而是使用序列模式采集，將示波器存儲器分成用戶選擇的段數(shù)，本例中為 5 段。

圖 2：Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4104HD 示波器用于采集 40 千赫茲 （kHz） 超聲波測距儀信號。上方顯示每次測量五個(gè)脈沖，間隔時(shí)間約為 16.8 毫秒 （ms）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　每段獲取一個(gè)發(fā)射脈沖并為觸發(fā)點(diǎn)加上時(shí)間戳。上方跡線是采集的波形，每段都有標(biāo)記。縮放跡線（下方網(wǎng)格）顯示了一個(gè)選定的片段，本例中為第一段。屏幕下方的表格顯示了時(shí)間戳（即每次觸發(fā)的時(shí)間）、自第 1 段以來的時(shí)間以及各段之間的時(shí)間。發(fā)射脈沖的峰峰值幅度為 362 mV，而反射回波的峰峰值幅度只有 21.8 mV。正是這種幅度差異使其成為高動(dòng)態(tài)范圍測量。圖中使用在屏幕上可以看到的回波幅度，但 12 位分辨率以低于示波器像素呈現(xiàn)的幅度采集該信號，如圖 1 所示。

　　電源完整性測量也需要高動(dòng)態(tài)范圍的示波器。紋波電壓測量要求能夠測量電源總線上的毫伏信號。在圖 3 示例中，上方跡線測量的是 5 V 總線上的紋波。紋波電壓為 45 mV峰峰值，位于 4.98 V 的總線電壓上，分別采用 WaveSurfer 4104HD 測量參數(shù) P2 和 P1 直接讀取。下方跡線是紋波電壓的快速傅里葉變換 （FFT），顯示了一個(gè)富含諧波的頻譜，基頻分量為 982 Hz。

圖 3：子卡 5 V 總線上的電源完整性測量顯示了紋波電壓和紋波的 FFT。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　除高分辨率外，這種應(yīng)用還要求示波器具有良好的偏移范圍。在此例中，示波器具有 ±8 V 偏移范圍，刻度為 10 mV。偏移范圍與示波器的垂直范圍成比例。如果需要更大的偏移范圍，Teledyne LeCroy 的 RP4030 導(dǎo)軌探針具有 30 V 的偏移范圍。導(dǎo)軌探針專門用于探測低阻抗電源軌，具有很大的內(nèi)置偏移、高輸入阻抗、低衰減和噪聲等特性。這款探針的帶寬為 4 GHz，衰減為 1.2，輸入阻抗為 50 kΩ。

　　高清示波器還能處理更高電壓的測量，例如開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器 （SMPC） 中遇到的電壓。SMPC 包括電源、逆變器和工業(yè)控制器，通過調(diào)整開關(guān)波形的占空比或頻率來控制功率。主要測量包括功率開關(guān)器件（通常是場效應(yīng)晶體管 FET）上的電壓和通過其中的電流。為了幫助開發(fā)人員進(jìn)行 SMPC 測量，Teledyne LeCroy 提供了專用軟件以及電壓和電流探針。典型測量如圖 4 所示。

圖 4：在特征化 SMPC 的損耗時(shí)，需要測量功率開關(guān)器件的電壓和電流，然后計(jì)算功率開關(guān)周期中各階段的功率損耗。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　電流（粉色跡線）采用 Teledyne LeCroy 的 CP030A 型電流探針測量。該鉗式探針的最大電流輸入為 30 安培 （A），帶寬為 50 MHz。電壓波形（米色跡線）采用 Teledyne LeCroy 的 HVP1306 高壓差分探針測量。該探針的額定最大 CATIII 電壓為 1000 V，帶寬為 120 MHz。WaveSurfer 示波器可以識別這兩種探針，并根據(jù)探針的增益和測量單位自動(dòng)縮放測得的波形。

　　功率測量軟件可自動(dòng)執(zhí)行最常見的 SMPC 測量。圖 4 將器件功率耗散計(jì)算顯示為黃色跡線。這是根據(jù)整個(gè)開關(guān)周期的電流和電壓波形計(jì)算得出。基于采集的波形，測量參數(shù)分離并顯示了開啟、導(dǎo)通、關(guān)斷和斷態(tài)的損耗，每個(gè)區(qū)域以疊加顏色清楚地區(qū)分開來。此外，還顯示了所有區(qū)域的總損耗以及開關(guān)頻率。除圖中所示的器件測量外，其他可用測量有助于特征化控制回路動(dòng)態(tài)、線路功率和性能特性（如效率）。

　　當(dāng)計(jì)算功率 FET 的漏源電阻 （Rds） 時(shí)，12 位分辨率在功率測量中也很有用。這需要在波形上測量大約 1 到 2 V 的電壓，峰峰值擺幅為 400 V 左右。WaveSurfer 4000HD 系列與所有兼容該示波器的帶寬范圍的 Teledyne LeCroy 探針兼容。

　　廣泛的應(yīng)用為“重負(fù)荷”示波器設(shè)定更高標(biāo)準(zhǔn)

　　WaveSurfer 4000HD 系列的應(yīng)用范圍并不限于高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用。產(chǎn)品本身就是一種出色的示波器，還能為“重負(fù)荷”示波器設(shè)定更高標(biāo)準(zhǔn)。該系列是低速串行數(shù)據(jù)故障排除的優(yōu)秀選擇，提供分析包和探針，支持 SPI、I2C、基于 UART 的鏈路等串行總線以及 LIN、CAN、FLEXRAY 等汽車總線。

　　串行總線分析要求能夠采集和解碼總線協(xié)議，以及讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容（圖 6）。顏色標(biāo)示的覆蓋部分顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)包。紅色覆蓋部分表示地址數(shù)據(jù)，而藍(lán)色覆蓋部分表示數(shù)據(jù)包。地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容出現(xiàn)在覆蓋部分內(nèi)。解碼信息以二進(jìn)制、十六進(jìn)制或 ASCII 格式提供。顯示屏底部的表格匯總了采集到的事務(wù)，顯示了相對于觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間、地址長度、地址、方向（讀或?qū)懀?shù)據(jù)包數(shù)量和數(shù)據(jù)內(nèi)容。觸發(fā)可以基于活動(dòng)、地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容或地址與數(shù)據(jù)的組合。

　　Teledyne LeCroy 的 ZD200 有源差分探針是測量串行數(shù)據(jù)的出色選擇。該 10:1 探針的輸入阻抗為 1 MΩ，帶寬為 200 MHz，可以處理高達(dá) 20 V 的差分電壓和高達(dá) 50 V 的共模電壓。該器件特別適用于差分總線，例如 CAN。

圖 6：I2C 總線的低速串行觸發(fā)和解碼具有讀取總線數(shù)據(jù)內(nèi)容的能力。圖中顯示了針對讀操作和寫操作的 I2C 總線信號的采集和解碼。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　總結(jié)

　　雖然 8 位示波器將永遠(yuǎn)占有一席之地，但有很多應(yīng)用本可以使用真正 12 位示波器的高清晰度和寬動(dòng)態(tài)范圍，不過相對較高的成本使其無法為許多設(shè)計(jì)人員和測試工程師所用。Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列示波器在解決這個(gè)問題上取得了長足的進(jìn)步，而且入門成本低得多。

　　此產(chǎn)品具有 12 位垂直分辨率，最大采樣率為 5 GS/s，本底噪聲很低，能夠提供高清測量。此外，還能與 Teledyne LeCroy 探針和分析軟件包兼容。因此，這些示波器為高性價(jià)比的高動(dòng)態(tài)范圍測量打開了大門，并將其應(yīng)用從研究實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到工程師的工作臺或工廠車間。