示波器小信號(hào)測(cè)量

本文主要討論使用示波器進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量相關(guān)的性能參數(shù)，如：垂直靈敏度、本底噪聲等，并結(jié)合相關(guān)測(cè)試進(jìn)行說(shuō)明。

2 小信號(hào)測(cè)量

工程師在使用示波器時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到測(cè)量小信號(hào)的應(yīng)用，其中最關(guān)心的可能就是測(cè)量精度問(wèn)題，那么如何才能進(jìn)行精確的小信號(hào)測(cè)量，特別是在信噪比小的情況下。我們今天就討論與小信號(hào)測(cè)量的相關(guān)示波器參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

首先，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量肯定需要一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)，尤其是對(duì)于小信號(hào)。因?yàn)樵谛旁氡刃〉臅r(shí)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(gè)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(shì)。關(guān)于數(shù)字觸發(fā)，本文不作詳細(xì)介紹。在穩(wěn)定觸發(fā)之后，跟小信號(hào)測(cè)量精度相關(guān)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(yīng)小信噪比信號(hào)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(hào)通過(guò)輸入通道進(jìn)入示波器即會(huì)通過(guò)一個(gè)放大器，我們稱(chēng)之為垂直增益放大器。該放大器是處于ADC之前，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大（若信號(hào)過(guò)大，則通過(guò)衰減器進(jìn)行衰減）。經(jīng)過(guò)放大或衰減的信號(hào)再通過(guò)ADC才轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)處理最終顯示在示波器屏幕上面。與垂直增益放大器對(duì)應(yīng)的示波器面板操作其實(shí)就是垂直區(qū)域的旋鈕，可能大家對(duì)于這個(gè)旋鈕比對(duì)放大器更為熟悉。

因此，對(duì)于信號(hào)的測(cè)量精度，在模擬部分，特別是垂直增益放大器就起了至關(guān)重要的作用。當(dāng)然，ADC的量化誤差對(duì)信號(hào)測(cè)量精度同樣有影響，不過(guò)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(guān)指標(biāo)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(cè)給出的值一般在±1.5%，但實(shí)測(cè)值還會(huì)更小。對(duì)于小信號(hào)測(cè)量，垂直靈敏度更為重要。它體現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的放大能力，單位用 mV/div或 V/div表示。眾所周知，進(jìn)行波形測(cè)量時(shí)需要調(diào)整垂直旋鈕，使波形盡量占滿(mǎn)示波器整個(gè)顯示柵格。示波器廠家也一般推薦使波形至少達(dá)到80%以上的垂直區(qū)域。這樣做的目的是使測(cè)量當(dāng)中的量化噪聲盡量小。比如，在2mV/div時(shí)測(cè)量結(jié)果的量化誤差肯定會(huì)比1mV/div時(shí)大一倍。因此，在進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量時(shí)，比如毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的信號(hào)，我們需要將垂直靈敏度設(shè)置到最小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由于各個(gè)示波器廠家的垂直增益放大器各不相同，因此體現(xiàn)出來(lái)的放大性能也不一樣，垂直靈敏度所能達(dá)到的最小值也不一樣。目前業(yè)內(nèi)能達(dá)到的最小垂直靈敏度為1mV/div。但這一指標(biāo)并非所有廠家都能達(dá)到。有的垂直旋鈕可以調(diào)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(guò)顯示放大（Magnification）的方式，類(lèi)似于Zoom。圖5可以看出，這種顯示放大到達(dá)的小量程設(shè)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(jí)。

圖4 大量程設(shè)置下的波形

圖5類(lèi)似zoom方式的小量程設(shè)置

另外有些廠家垂直增益放大器的能力可以達(dá)到1mV/div的等級(jí)，并且無(wú)顯示放大，但卻有帶寬限制，即如果量程設(shè)置到小量程，如1mV/div，帶寬就會(huì)被限制到200MHz，2mV/div時(shí)，帶寬被限制到500MHz。這樣對(duì)于一些高頻的小信號(hào)測(cè)試就顯得無(wú)能為力。