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影響示波器測試精度的因素有哪些,有什麼解決方案

2020年09月19日 09:27 次閲讀

隨着電力電子技術的發展,新低功耗器件的大量應用以及更加嚴格的標準約束,工程師對測試的精度越來越敏感,開始不滿足現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?我們如何提高測試精度呢?

優勢1:示波器模數轉換器ADC 位數

為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數,但是因為ADC其採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採用8bit ADC。換句角度來看,理論上用滿其垂直的動態範圍,分辨率就是垂直量程/ 256(2^8),如果採用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。

現在工程師面臨着更多小信號測試的挑戰,如果您是做電源設計的工程師,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峻的挑戰,泰克全新一代示波器輕鬆解決微小信號測試問題。

還有一類更加挑戰的測試要求,就是小信號是疊加在一個大的信號之上如何能準確測試呢?歸根結底還是驗證示波器的垂直分辨率的指標,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就非常清晰瞭解其測試效果的不同。

影響示波器測試精度的因素有哪些,有什麼解決方案

圖1 不同位數ADC示波器測試小信號對比

泰克公司新4系、5系、6系MSO示波器採用硬件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。

優勢2:示波器前端放大器

示波器檢測系統的噪聲係數、可檢測的最小信號都主要取決於前置放大器。

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系示波器和傳統示波器本底噪聲對比

優勢3:示波器採集模式

測量低壓信號時,有兩種採集模式非常重要,具體視波形的可重複性而定,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。平均模式示波器採集系統中基本降噪信號處理技術之一。它依賴多次觸發採集重複的信號。通過使用來自兩次或兩次以上採集的數據,這種模式逐點平均採集中對應的數據點,形成輸出波形。平均模式改善了信噪比,降低了與觸發無關的噪聲,提高了垂直分辨率,可以更簡便地觀察重複信號。

圖3平均模式在多次採集中計算每個記錄點的平均值

可以修改傳統平均算法,每次在採集另一個波形時立即顯示結果,解決顯示平均的波形時延誤時間的問題。但是,數據存儲問題依舊沒有得到解決。穩定的平均算法為:

an = (1 / n) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1)

其中:an 是當前平均採集中的點

xn 是新採集n 中的點

n 表示採集次數

注意,為了得到具體N 次採集的加總平均值,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N 時,採集會停止,平均的波形中包含着具體N 個採集的波形。

泰克示波器採用指數平均算法,可以在每次採集後在顯示畫面上立即更新結果,明顯降低了要求的存儲容量。指數平均流程採用下面的公式,從新採集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 表示採集次數

N 表示請求的平均總數

an 是平均的採集中新的點

an-1 是過去平均的採集中的點

xn 是新採集中的點

p 是平均因數

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。您可以在低速信號中看到這一點。如果信號是穩定的,那麼您會看到前N 次採集中噪聲連續下降。在N 次採集後,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,對於信號週期穩定的波形非常有效。對於週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 採集模式計算每個採集間隔中所有樣點的平均值

HiRes 模式是泰克已獲專利的採集方式,它計算並顯示每個採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,用過採樣獲得與波形有關的進一步信息。在HiRes 模式下,通過獲得進一步水平採樣信息,可以提供更高的垂直分辨率,降低帶寬和噪聲。HiRes 處理在定製硬件中完成,以最大限度地提高速度。HiRes 模式較平均模式的一個關鍵優勢,是即使單次採集也可以使用HiRes 模式。

帶寬限制及由於HiRes 導致的垂直分辨率提高程度會隨着儀器的最大采樣率和實際( 選擇的) 採樣率變化。實際採樣率一般顯示在屏幕底部附近,最大采樣率可以參見產品技術資料。垂直分辨率位數為:

垂直位數= 8 + 0.5 log2 * (D)

其中:D 是壓縮比或最大采樣率/ 實際採樣率得到的-3 dB 帶寬( 除非受到測量系統模擬帶寬的進一步限制) 是:

BW = 0.44 * SR

其中:SR 是實際採樣率

表1 泰克MDO3系示波器5 GS/s 示波器中由於HiRes 增強的垂直分辨率對應表

在許多泰克示波器中,平均算法是在硬件中實現的,採用固定點數學,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,會隨着應用變化,但這種信號處理技術對許多應用尤其有效。

High Res 模式是一種全新的泰克已獲得專利的採集模式,它會產生非常高的垂直分辨率。在高層次上,它與以前的技術類似,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。除波形串平均技術本身會發生低通濾波外,對每項個採樣率,它還對信號應用一個唯一的FIR 平滑濾波器,對頻響進行整形,優化垂直分辨率的改進程度。

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 上實現數字信號處理技術。

另外,為改善用户體驗,採集標誌會顯示分辨率位數,活動通道的垂直標誌表明-3 dB 帶寬。4系列5 系列MSO 中的High Res 採集模式提供了表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一步降低表2 所示的帶寬。

圖5應優化所有采集階段,以實現最佳分辨率和噪聲性能

優勢4:示波器的採樣率

對於當今嵌入式系統調試來説,混合信號已經非常普遍,最近幾年數字信號的速度越來越快,工程師對數字信號處理能力要求越來越高,很多工程師糾結是不是購買專用的邏輯分析儀來進行高速數字信號處理。這裏有個問題,市面上很多的示波器都名字為混合信號示波器MSO, 為什麼不能用這類儀器來數字信號處理呢?

我們來確認下這個問題,MSO確實有數字信號處理能力,市面MSO 的示波器可以選配16路數字信號處理,也具有一定的分析功能,但是仔細確認有發現其數字信號採樣能力確實很大的侷限,一般一台示波器如果模擬通道的採樣率可以做到5GS/s,但是MSO示波器數字信號的常規的採樣率只有200MS/s,市面上最高到500MS/s。大家都知道採樣率對信號還原尤其是偶發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説,會非常糾結這個問題。

泰克新一代示波器MSO4/5系列示波器基於泰克全新的TEK049 平台打造,大大提升了其信號採集及處理速度,每條模擬及數字通道最高達到6.25GS/s 採樣率。讓我們來看看新一代示波器MSO4/5和傳統混合信號示波器的對比。

圖6不同採樣速率對數字信號細節還原對比

由圖6可以看出,對於現在越來越快的數字信號調試,需要更高的採樣速率捕獲數字信號細節,如果採樣率不夠就如圖6所示丟失掉信號的細節,甚至還原完全錯誤的信息,當然更無法捕獲快速的異常信號。

圖7可以看到一個40MHz的數字信號,其中一個非常小的干擾信號會導致有2nS的快速脈衝,數字採樣率直接導致設定觸發條件的極限,如果是500MS/s 最快的脈衝觸發只能設定在4ns,但是泰克新一代示波器MSO4/5數字信號的時間分辨率提高了12倍,輕鬆準確的捕獲更快的數字信號信息。

圖7 MSO4/5 數字信號時間分辨率

優勢5:探頭的選擇與設置至關重要

探頭的作用至關重要,但為實現測量的最優結果,必須進行折衷,特別是在進行高精度測量時。示波器標配的無源探頭可能並不是實現最佳精度的解決方案。

1、選擇適當衰減比的探頭。在高分辨率測量中,非常重要的一點是使信號幅度達到最大,同時使外部噪聲達到最小。探頭選擇是非常關鍵的第一步。電壓探頭與示波器的輸入阻抗構成電壓分路器(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,最優探頭應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於參考源進行的,這個參考源通常是“接地”。準確的測量,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到最小,使用的接地應儘量短。最好的解決方案是最大限度地縮短地線長度,並儘可能接近信號連接,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。當選擇某些有源探頭時可以選擇性使用內置探頭濾波器降低噪聲。這進一步降低了系統噪聲,有助於提高系統的信噪比。濾掉不想要的噪聲可以查看進一步細節,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,人身安全及設備可靠性至關重要,為準確測量,非常重要的一點是信號要保持在標稱工作範圍內(如有源探頭的線性範圍或動態範圍內)。

在DC 偏置上測量低電壓信號最簡單的技術是使用參考地電平的探頭採集整個信號,然後測量AC 分量 (圖9 左圖)。DC 偏置技術不允許AC 信號測量全面利用測量系統的動態範圍,信噪比會很差。

圖9左側AC+DC信號。右側去掉了DC分量,成比例縮放AC分量,以改善分辨率。

隨着電力電子技術,材料及器件技術的高速發展,當今工程師面臨着,更快,更小,更復雜信號的調試挑戰,更加準確的測試不僅僅體現在測試設備本身的硬件指標,還要考慮整體的測試系統的性能。泰克新一代示波器採樣全新的前端放大器,MSO4/5 還採用了泰克最新的TEK049 平台打造,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要從信號的整個環節打造,從信號的接入,前端放大器,模數轉換及後續的數據處理分析。

責任編輯:gt

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作為國內首款12-bit高分辨率,2GHz高帶寬數字示波器,SDS6000 Pro 為高速小信號的測....
發表於 2020-09-10 12:41 67次閲讀
2 GHz帶寬!鼎陽科技發佈SDS6000 Pr...

報警器聲音時序波形數字示波器測量

發表於 2020-09-10 11:25 0次閲讀
報警器聲音時序波形數字示波器測量

10G波長可調光模塊已完成開發和驗證測試,即將實...

  DWDM採用O波段工作波長可調光模塊,可支持12波(Finisar提出)。DWDM採用C波段工作....
發表於 2020-09-10 10:53 108次閲讀
10G波長可調光模塊已完成開發和驗證測試,即將實...

TDR測量儀器的基本原理是什麼

TDR是英文Time Domain Reflectometry 的縮寫,中文名叫時域反射計,是測量傳....
發表於 2020-09-10 09:28 57次閲讀
TDR測量儀器的基本原理是什麼

採用ZDS2024 Plus示波器進行電源紋波的...

電源紋波測試在電源質量檢測中是很重要的一項參數,但是怎麼準確的測量電源紋波卻成了工程師心中的一道難題....
發表於 2020-09-10 09:24 85次閲讀
採用ZDS2024 Plus示波器進行電源紋波的...

基於RSA306實時頻譜分析儀進行EMI一致性測...

在我們的預一致性測試中,我們使用了一米和幾釐米兩種距離。降低DUT(被測設備)與測試天線之間的距離會....
發表於 2020-09-10 09:21 147次閲讀
基於RSA306實時頻譜分析儀進行EMI一致性測...

關於伺服電機的解決方案資料!

針對電機控制解決方案,ADI公司提供了門類齊全的產品組合,其中包括了模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、i...
發表於 2020-09-07 23:52 101次閲讀
關於伺服電機的解決方案資料!

CV8988 ADC模擬加數字轉數字HDMI芯片可替代ADI系列

CV8988 集成了高性能的10bit 視頻ADC 和24bit音頻ADC 以及成熟可靠的HDMI1.3 編碼發送模塊, 支持模擬V...
發表於 2020-09-06 16:10 215次閲讀
CV8988 ADC模擬加數字轉數字HDMI芯片可替代ADI系列

高壓試驗變壓器時應該注意的幾個問題

電力電纜作為電力線路的一部分,因其故障機率低、安全可靠、出線靈活而得到廣泛應用。但是一旦出故障,檢修難度較大...
發表於 2020-09-05 00:20 0次閲讀
高壓試驗變壓器時應該注意的幾個問題

示波器如何診斷產品的EMI問題

  Q:如何使用手頭的示波器來診斷產品EMI問題?   A:隨着信號的上升沿、下降沿時間越來越快和PCB板上高...
發表於 2020-09-04 17:47 202次閲讀
示波器如何診斷產品的EMI問題