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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(zhǔn)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(biāo)，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(dá)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(dāng)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(dá)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(jìn)一步信息。在HiRes 模式下，通過獲得進(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(jìn)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(xué)，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(jìn)行整形，優(yōu)化垂直分辨率的改進(jìn)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(biāo)志會顯示分辨率位數(shù)，活動通道的垂直標(biāo)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(rèn)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(xì)確認(rèn)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(dá)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(xì)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(xì)節(jié)，如果采樣率不夠就如圖6所示丟失掉信號的細(xì)節(jié)，甚至還原完全錯誤的信息，當(dāng)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(zhǔn)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(jìn)行折衷，特別是在進(jìn)行高精度測量時。示波器標(biāo)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(dāng)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(dá)到最大，同時使外部噪聲達(dá)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(jìn)行的，這個參考源通常是“接地”。準(zhǔn)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(dá)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(dāng)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(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(zhǔn)確測量，非常重要的一點是信號要保持在標(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(dāng)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(zhǔn)確的測試不僅僅體現(xiàn)在測試設(shè)備本身的硬件指標(biāo)，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。

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