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示波器 小信號測試
點擊次數:1754 發布時間:2016-04-06

示波器 小信號測量

 

 

關鍵字: 示波器  小信號測量  醫療

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,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常會遇到測量小信號的應用,其中zui關心的可能就是測量精度問題,那么如何才能進行的小信號測量,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,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定的觸發,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,往往不能形成穩定的觸發,這就需要一個穩定的能抗噪聲干擾的觸發系統。目前,數字觸發與廣泛使用的傳統模擬觸發系統相比,在這方面就具有極大的優勢。關于數字觸發,本文不作詳細介紹。在穩定觸發之后,跟小信號測量精度相關的參數主要討論垂直靈敏度和本底噪聲。

1 傳統觸發方式不能適應小信噪比信號的觸發                    

2 數字觸發能保證穩定觸發

 

2.1 垂直靈敏度

 

 

3 數字示波器工作原理框圖

 

數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)。經過放大或衰減的信號再通過ADC才轉化成數字信號,然后通過處理zui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。它體現了對信號的放大能力,單位用 mV/div 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zui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,因此體現出來的放大性能也不一樣,垂直靈敏度所能達到的zui小值也不一樣。目前業內能達到的zui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/div5mV/div的等級。

4 大量程設置下的波形                                  

5類似zoom方式的小量程設置

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200MHz2mV/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公司采用自己研發的優異性能垂直增益放大器,保證示波器在達到zui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嘗試:)

6 全帶寬下1mV/div                                             

7 小信號測試(約40μV !!!)

 

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,量化位數越高,精度也就越高。的確,ADC位數越高,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“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。的模擬前端設計可以將示波器本底噪聲降至zui低。

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驗的德國射頻專家設計,因此能很好的將本底噪聲降至zui低。圖8R&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zui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。

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12ADC,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。

10 RTO測試-110dBm信號        

 

 

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