改善數(shù)字熒光示波器垂直分辨率的N個(gè)方法（上）

技術(shù)簡(jiǎn)介

在進(jìn)行高分辨率低壓測(cè)量時(shí)，如果能更好地了解示波器運(yùn)行模式及探頭和示波器的性能特點(diǎn)，那么許多示波器用戶都會(huì)從中受益。本技術(shù)簡(jiǎn)介描述了泰克數(shù)字示波器高分辨率波形采集中采用的部分基礎(chǔ)測(cè)量和信號(hào)處理技術(shù)。通過(guò)了解這些優(yōu)勢(shì)和影響，用戶可以更簡(jiǎn)便地選擇及成功運(yùn)用泰克示波器和探測(cè)解決方案。

測(cè)量系統(tǒng)帶寬
進(jìn)行良好測(cè)量的第一步，是選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)(包括示波器和探頭)必須擁有充足的模擬帶寬，以捕獲信號(hào)中所需的最高頻率，包括諧波。一條很好的通用規(guī)則是使用的測(cè)量系統(tǒng)的帶寬至少是要測(cè)量的信號(hào)帶寬的五倍。例如，如果想測(cè)量100 MHz數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，那么探頭和示波器至少要提供500 MHz的帶寬，這可以捕獲最有效的諧波，限制波段邊緣附近發(fā)生的幅度和相位測(cè)量誤差。

在進(jìn)行低壓測(cè)量時(shí)，應(yīng)確認(rèn)正在評(píng)估的是相關(guān)靈敏度范圍內(nèi)的設(shè)備帶寬，而不只是產(chǎn)品在最佳情況下的性能。例如，可切換衰減(如1X/10X)探頭在10X路徑中可能會(huì)有非常高的帶寬，但在1X路徑中的帶寬卻非常低。類似的，示波器的額定帶寬指標(biāo)可能會(huì)以1 mV/div速率下降，甚至不能提供這種靈敏度(或只是提供靈敏度較低設(shè)備的垂直縮放)。

在測(cè)量非正弦曲線信號(hào)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間可能是相關(guān)度更高的指標(biāo)。系統(tǒng)的上升時(shí)間用示波器的上升時(shí)間與探頭的上升時(shí)間的平方和的平方根計(jì)算得出。一條很好的通用規(guī)則是使用的測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間至少比要測(cè)量的信號(hào)快五倍，這將在2%范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量定時(shí)參數(shù)，如圖1所示。

圖1.上升時(shí)間測(cè)量誤差。
[圖示內(nèi)容：]
Measurement Error (%):測(cè)量誤差(%)
Ratio of Rise Times:上升時(shí)間之比

盡管充足的帶寬對(duì)良好的信號(hào)保真度必不可少，但不一定是帶寬越高測(cè)量效果越好。在帶寬提高時(shí)，與信號(hào)一起捕獲的噪聲也會(huì)提高。

示波器采樣率
示波器的采樣率表明儀器對(duì)輸入信號(hào)采樣的頻度。為準(zhǔn)確地重建信號(hào)，避免假信號(hào)，內(nèi)奎斯特定理規(guī)定，信號(hào)被采樣的速度至少是最高頻率成分的兩倍。信號(hào)的準(zhǔn)確重建，離不開(kāi)采樣率和重建信號(hào)使用的插補(bǔ)方法。在sin (x)/x插補(bǔ)中，一條很好的通用規(guī)則是使用的采樣率是系統(tǒng)帶寬的五倍。在捕獲單次事件和瞬態(tài)事件時(shí)，較低的采樣率會(huì)限制示波器的單次帶寬。

選擇最優(yōu)探頭
探頭選型似乎很簡(jiǎn)單，但要進(jìn)行許多關(guān)鍵權(quán)衡，才能獲得最優(yōu)結(jié)果，特別是在測(cè)量低壓信號(hào)時(shí)。示波器標(biāo)配的無(wú)源探頭可能并不是這種應(yīng)用的最佳解決方案。

在低壓測(cè)量中，使信號(hào)幅度達(dá)到最大，同時(shí)使外部噪聲達(dá)到最小非常重要。探頭選型是第一個(gè)關(guān)鍵步驟。電壓探頭與示波器的輸入阻抗形成一個(gè)電壓分路器，一般會(huì)衰減輸入信號(hào)，這對(duì)提高測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗具有積極影響，但會(huì)降低示波器輸入上的信號(hào)電平。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)放大探頭和示波器增加的任何噪聲。從信噪比角度看，最優(yōu)探頭提供的衰減很小，或不提供衰減，以TPP0502高阻抗無(wú)源探頭為例，它提供了500 MHz帶寬，但衰減只有2X。

為使信號(hào)的負(fù)荷效應(yīng)達(dá)到最小，應(yīng)選擇輸入電阻非常高、輸入電容非常低的探頭。(使輸入電容達(dá)到最小，會(huì)提高地線電感引起的諧振頻率，或反之，允許使用更長(zhǎng)的地線，而不會(huì)給信號(hào)保真度帶來(lái)進(jìn)一步損耗。)使用有源探頭可能會(huì)實(shí)現(xiàn)最低負(fù)荷，但會(huì)影響成本、噪聲和動(dòng)態(tài)范圍。

所有電壓測(cè)量都是相對(duì)于參考源的，這個(gè)參考源通常是“大地”。準(zhǔn)確測(cè)量，特別是低壓測(cè)量，尤其要依賴到參考電壓的低阻抗路徑。為最大限度地降低信號(hào)失真和撿拾噪聲，應(yīng)使用最短的接地。盡管標(biāo)配無(wú)源探頭上的長(zhǎng)地線方便瀏覽，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。探頭尖端和地線形成的大的環(huán)路區(qū)域會(huì)把噪聲磁耦合到信號(hào)中。此外，地線和噪聲來(lái)源(如開(kāi)關(guān)器件)之間的電感電抗相距很近，會(huì)把噪聲靜電耦合到信號(hào)中。最好的解決方案是使地線的長(zhǎng)度達(dá)到最小，并把地線連到盡可能接近信號(hào)連接的參考點(diǎn)上。

如需示波器探頭的進(jìn)一步技術(shù)信息，請(qǐng)參閱《泰克探頭基礎(chǔ)知識(shí)入門手冊(cè)》(60W-6053-XX)，網(wǎng)址：www.tektronix.com。


圖2.示波器輸入放大器上的AC耦合。
[圖示內(nèi)容：]
Oscilloscope:示波器


圖3.在探頭中增加DC偏置。
[圖示內(nèi)容：]
Probe：探頭
Oscilloscope：示波器
Offset：偏置