1 引言

本文主要討論使用示波器進行小信號測量相關的性能參數(shù)，如：垂直靈敏度、本底噪聲等，并結合相關測試進行說明。

2小信號測量

工程師在使用示波器時經(jīng)常會遇到測量小信號的應用，其中最關心的可能就是測量精度問題，那么如何才能進行精確的小信號測量，特別是在信噪比小的情況下。我們今天就討論與小信號測量的相關示波器參數(shù)，并進行相關測試。

首先，需要對信號進行測量肯定需要一個穩(wěn)定的觸發(fā)，尤其是對于小信號。因為在信噪比小的時候噪聲或干擾較大，往往不能形成穩(wěn)定的觸發(fā)，這就需要一個穩(wěn)定的能抗噪聲干擾的觸發(fā)系統(tǒng)。目前，數(shù)字觸發(fā)與廣泛使用的傳統(tǒng)模擬觸發(fā)系統(tǒng)相比，在這方面就具有極大的優(yōu)勢。關于數(shù)字觸發(fā)，本文不作詳細介紹。在穩(wěn)定觸發(fā)之后，跟小信號測量精度相關的參數(shù)主要討論垂直靈敏度和本底噪聲。

圖1 傳統(tǒng)觸發(fā)方式不能適應小信噪比信號的觸發(fā)

圖2 數(shù)字觸發(fā)能保證穩(wěn)定觸發(fā)

2.1 垂直靈敏度

圖3 數(shù)字示波器工作原理框圖

數(shù)字示波器工作原理如圖3所示，模擬信號通過輸入通道進入示波器即會通過一個放大器，我們稱之為垂直增益放大器。該放大器是處于ADC之前，對模擬信號進行放大（若信號過大，則通過衰減器進行衰減）。經(jīng)過放大或衰減的信號再通過ADC才轉化成數(shù)字信號，然后通過處理最終顯示在示波器屏幕上面。與垂直增益放大器對應的示波器面板操作其實就是垂直區(qū)域的旋鈕，可能大家對于這個旋鈕比對放大器更為熟悉。

因此，對于信號的測量精度，在模擬部分，特別是垂直增益放大器就起了至關重要的作用。當然，ADC的量化誤差對信號測量精度同樣有影響，不過在之前的文章中有討論，我們就不累述。垂直增益放大器相關指標主要涉及到垂直靈敏度、DC增益精度等。DC增益精度體現(xiàn)了放大器的線性性能，用百分比表示。R&S示波器DC增益精度手冊給出的值一般在±1.5%，但實測值還會更小。對于小信號測量，垂直靈敏度更為重要。它體現(xiàn)了對信號的放大能力，單位用 mV/div或 V/div表示。眾所周知，進行波形測量時需要調整垂直旋鈕，使波形盡量占滿示波器整個顯示柵格。示波器廠家也一般推薦使波形至少達到80%以上的垂直區(qū)域。這樣做的目的是使測量當中的量化噪聲盡量小。比如，在2mV/div時測量結果的量化誤差肯定會比1mV/div時大一倍。因此，在進行小信號測量時，比如毫伏級甚至微伏級的信號，我們需要將垂直靈敏度設置到最小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由于各個示波器廠家的垂直增益放大器各不相同，因此體現(xiàn)出來的放大性能也不一樣，垂直靈敏度所能達到的最小值也不一樣。目前業(yè)內能達到的最小垂直靈敏度為1mV/div。但這一指標并非所有廠家都能達到。有的垂直旋鈕可以調到1mV/div這樣的小量程，但卻不是放大器真正的放大，而是通過顯示放大（Magnification）的方式，類似于Zoom。圖5可以看出，這種顯示放大到達的小量程設置，雖然圖片放大了，但量化誤差還是大量程下，如10mV/div或5mV/div的等級。

另外有些廠家垂直增益放大器的能力可以達到1mV/div的等級，并且無顯示放大，但卻有帶寬限制，即如果量程設置到小量程，如1mV/div，帶寬就會被限制到200MHz，2mV/div時，帶寬被限制到500MHz。這樣對于一些高頻的小信號測試就顯得無能為力。

R&S公司采用自己研發(fā)的優(yōu)異性能垂直增益放大器，保證示波器在達到最小1mV/div的靈敏度（非顯示放大）同時也能保證示波器在全帶寬情況下工作。如圖6所示，該示波器為R&S RTO1044示波器，帶寬為4GHz。可以看出，在1mV/div靈敏度是，4GHz示波器帶寬不受任何限制。那么R&S示波器到底能測多小的信號呢，我們做了如圖7所示實驗，可以看出在信號Amplitude值小至約40μV時，R&S示波器同樣能夠輕松測量。那能不能測更小的信號呢，感興趣的讀者可以繼續(xù)嘗試：）

2.2 本底噪聲

提到測量精度，很多讀者可能想到的就是ADC量化位數(shù)，量化位數(shù)越高，精度也就越高。的確，ADC位數(shù)越高，量化誤差也就越小。但測量精度是受多方面影響的，比如本底噪聲就是其中很重要的一個因素，特別是對于小信號測量。舉個例子：如果示波器本底噪聲過大，淹沒了小信號，那此時即使用再高位數(shù)ADC的示波器，量化誤差再小也是測量不到信號的，因為在輸入ADC之前的模擬前端，信號就已經(jīng)“消失”在本底噪聲之中了。所以，對于信號的測量精度，需要綜合各方面的因素來看。

本底噪聲主要受示波器模擬前端設計影響。優(yōu)秀的模擬前端設計可以將示波器本底噪聲降至最低。

圖8 R&S RTO示波器模擬前端設計

R&S公司的示波器模擬前端均由具有多年工作經(jīng)驗的德國射頻專家設計，因此能很好的將本底噪聲降至最低。圖8為R&S RTO示波器帶電磁屏蔽的模擬前端電路。為了驗證R&S示波器本底噪聲性能，我們與某廠家的12位示波器分別在時域和頻域做了比較。

時域方面，兩臺相同帶寬示波器均在最小量程下進行底噪比較。R&S RTO1004示波器垂直為10格刻度，底噪值為80μV。某廠家12位示波器垂直為8格刻度，底噪值為114.46μV，如果換算成10格刻度來比較，那么底噪應為114.46μV × 1.25 = 143μV。由此可見，RTO底噪更勝一籌。

圖9 RTO 600M 本底噪聲80μV

頻域方面，我們均采用10MHz頻率，功率-110dBm的正弦波作為輸入。從圖10可以看出，R&S示波器憑借極低的底噪聲可以清晰的測量該微弱信號。而某廠家的示波器雖然為12位ADC，但由于信號淹沒于噪聲當中，對該信號無法進行測量。大家有興趣可以做相關對比實驗。

圖10 RTO測試-110dBm信號

作者簡介： 周永舜先生于2010年畢業(yè)于電子科技大學電子工程學院，信號與信息處理專業(yè)，獲工學碩士學位。畢業(yè)后供職于華為技術有限公司，先后從事微波中頻芯片算法研發(fā)與微波產(chǎn)品海外行銷工作。于2012年加入羅德與施瓦茨公司?，F(xiàn)任羅德與施瓦茨公司成都示波器業(yè)務發(fā)展工程師，主要負責西南地區(qū)示波器產(chǎn)品市場推廣工作。
編輯：hfy