如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

厂商供稿 发表于 2019-07-09 14:36:59 收藏 已收藏
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如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

厂商供稿 发表于 2019-07-09 14:36:59
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对于测试仪器来说,精度、可靠性、稳定性及功能是非常重要的几个指标,这也决定了工程师对测试结果的信心。基于示波器的设计原理,它具有非常高的采样速率,时间精度可以保证,但很多工程师却忽略了其幅度的测试精度。

随着电力电子技术的发展,低功耗器件的大量应用以及更加严苛的行业标准约束,工程师对测试的精度越来越关注,开始不满足于市面上示波器幅度测试的分辨率和精度了。

对于示波器这种测试仪器,如何选择和设定可以获得最优的测试精度呢?

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图1. 示波器测试系统示意图

在进行测量时,您可以把数字示波器看成一个测试系统,来改善测量结果(参照图1)。在对示波器工作模式、探头特点、滤波技术及整个系统交互方式有了基本了解之后,您可以改善小信号的测量效果。

为实现高精度测量,必须考虑整条信号路径,从探头尖端,到示波器的模拟前端、采样和数字信号处理。如图1所示的每个系统单元都会影响测量精度,可以进行优化,以实现最佳结果。

影响示波器测试精度的五大因素

小编寄语:内容非常详细!干货十足,建议耐心阅读,或者扫描上方二维码下载文章喔~

示波器模数转换器ADC位数

为提高测试精度最理想的方式是提高示波器ADC位数,但是因为ADC采样率和垂直分辨率性能的互相制约,目前市面上常见的示波器是采用8bit ADC。我们换个角度来看,理论上用满其垂直的动态范围,分辨率就是垂直量程/ 256(2^8),如果采用12bit ADC的示波器其分辨率为垂直量程/4096(2^12)。显而易见,高比特的ADC可以在测试精度上带来非常大的提升。

现在工程师面临着很多小信号测试的挑战,如果您是电源设计的工程师,纹波测试非常重要,过去纹波电压从几十到一百多mV到目前只有十几mV,甚至很多笔记本和手机上小到几个mV的微小纹波测试。这就对测试用的示波器的分辨率提出严峻的挑战,泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC轻松解决微小信号的测试问题。

还有就是叠加在一个大的信号上的小信号测试。为测试到完整的信号,需要选择一个较大的量程,但是又要保证能测试到微小信号变化,如何能准确测试呢?归根结底还是考验示波器垂直分辨率的指标,请参考图2就非常清晰显示了其测试效果的对比。↘↘↘

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图2. 不同位数ADC示波器测试小信号对比

泰克公司新4系,5系,6系示波器采用硬件12bit ADC倾力打造无与伦比的垂直分辨率,帮助您准确捕获微小信号。

示波器前端放大器

示波器信号接入第一部分就是前端放大器,它非常重要。前端放大器是专为微小信号测试而设计的,可以使测试设备有更广泛的应用。但是前端放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大,理想的情况是选用噪声系数较小的前置放大器。示波器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。

在泰克全新一代示波器提升了前端放大器的硬件性能,本底噪声降低30%,从而提升了小信号的测试精度。具体的请参考图3:

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图3. 泰克新MDO3系示波器和传统示波器本底噪声对比

示波器采集模式

在泰克示波器中,“采集模式”一词指波形数据的原始表示,通常是8位分辨率。所有后续处理操作( 显示、自动测量、光标、数学和应用) 都基于采集模式定义的信号数据表示。大多数示波器中默认的采集模式是采样模式。这是最简单的采集模式,在这种模式下,普通示波器以选择的采样率(直到最大采样率)用8位量值表示波形上的每个点。

在测量低压小信号时,有两种采集模式非常重要,具体视波形的可重复性而定,因为它们可以用来改善测量分辨率:平均模式和HiRes 模式,下面详细介绍了这两种模式。

① 平均模式。平均模式是示波器采集系统中基本降噪的信号处理技术之一。通过使用两次或两次以上采集的数据,对采集的数据点采用逐点平均的方法,形成输出波形。平均模式改善了信噪比,降低了与触发无关的噪声,提高了垂直分辨率,可以更简便地观察重复信号。

计算平均波形的传统方法是先简单地加总所有采集中的对应样点,然后除以采集次数。但是,这种方法要一直等到采集了所需的全部N个波形之后,才能显示平均值。耽误的时间对大部分用户是不可接受的,采集数据量会迅速超出示波器的内存容量。

AN = (1 / N) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1)

其中:AN是平均模式的采集的点;N表示请求的平均总数;xn是n次采集的点;n表示采集次数

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图4. 平均模式在多次采集中计算每个记录点的平均值

当然可以修改传统的平均算法,每次在采集另一个波形时立即显示结果,解决显示平均后的波形所延误时间的问题。但是,数据存储问题依旧没有得到解决。稳定的平均算法为:

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

其中:an是当前平均采集的点;xn是新采集n个的点;n表示采集次数

注意,为了得到具体N 次采集的加总平均值,只需把示波器置入Single Sequence ( 单次序列) 模式。在这种模式下,在n到达N时,采集会停止,平均的波形中包含着具体N 个采集的波形。

泰克示波器采用指数平均算法,可以在每次采集后立即更新和显示波形,这大大降低了要求的存储容量。指数平均模式采用下面的公式,从新采集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表示采集次数;N表示请求的平均总数;an是平均的采集中新的点;an-1是过去平均的采集中的点;xn是新采集的点;p是平均因数

如果(n《N),那么p = n,否则p = N得到的平均后的波形相同,与使用哪种平均算法无关。但要注意,不管是采集的波形还是平均的波形,指数平均算法的效率都要高得多。

这两种算法都可以立即显示波形中一致的趋势效应。您可以在低速信号中看到这一点。如果信号是稳定的,那么您会看到前N 次采集中噪声连续下降。在N 次采集后,信号仍将变化,但整体降噪或垂直分辨率不再有改观。平均功能提高了信号的垂直分辨率,对于周期稳定的波形非常有效。对于周期及幅值都变化的波形如何提高测试精度呢?请看下面的方法。

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图5. HiRes 采集模式计算每个采集间隔中所有样点的平均值

② 高分辨率模式。

HiRes模式是泰克已获专利的采集方式,它计算并显示每个采样间隔中所有顺序样点值的平均值。这种模式提供了一种方法,用过采样获得与波形有关的进一步信息。在HiRes模式下,通过获得进一步水平采样信息,可以提供更高的垂直分辨率,降低带宽和噪声。HiRes处理在定制硬件中完成,以最大限度地提高速度。HiRes模式较平均模式的一个关键优势,是即使单次采集也可以使用HiRes模式。

带宽限制及由于HiRes导致的垂直分辨率提高程度会随着仪器的最大采样率和实际选择的采样率而变化。实际采样率一般显示在屏幕底部附近,最大采样率可以参见产品技术资料。垂直分辨率位数为:

垂直位数= 8 + 0.5 log2 * (D)

其中:D 是压缩比或最大采样率/ 实际采样率得到的-3 dB 带宽( 除非受到测量系统模拟带宽的进一步限制) 是:

BW = 0.44 * SR

其中:SR 是实际采样率

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表1. 泰克MDO3系示波器5GS/s示波器打开HiRes增强的垂直分辨率对应表

在许多泰克示波器中,平均算法是在硬件中实现的,采用固定点运算,得到大约16位的最大分辨率。观察到的分辨率改善程度略低,会随着应用变化,但这种信号处理技术对许多应用尤其有效。

对于硬件12bit ADC示波器高分辨率模式效果更佳突出,详细信息请参考下表:

High Res模式是一种全新的泰克已获得专利的采集模式,它会产生非常高的垂直分辨率。在高层次上,它与以前的技术类似,它会用降低定时分辨率的方式,来改善垂直分辨率,这通过计算及显示多个顺序样点的波形串平均值来实现。除波形串平均技术本身会发生低通滤波外,它还对信号应用一个唯一的FIR 平滑滤波器,对频响进行整形,优化垂直分辨率。

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表2. MSO4和MSO5系列示波器加强型高分辨率模式对照表

与以前的技术不同,4系列5系列MSO先从12位6.25 GS/s ADC输出入手,在ASIC上实现数字信号处理技术。

另外,为改善用户体验,采集标志会显示分辨率位数,输入通道的垂直标志表明-3dB带宽。4系列5系列MSO中的High Res采集模式提供了表2所示的性能。注意,示波器通道和任意相连探头设置的模拟带宽限制会进一步降低表2所示的带宽。

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图6. 应优化所有采集阶段,以实现最佳分辨率和噪声性能

示波器的采样率

对于当今嵌入式系统调试来说,混合信号已经非常普遍,最近几年数字信号的速度越来越快,工程师对数字信号处理能力要求越来越高,很多工程师纠结是不是购买专用的逻辑分析仪来进行高速数字信号处理。这里有个问题,市面上很多的示波器都名字为混合信号示波器MSO, 为什么不能用这类仪器来数字信号处理呢?

我们来确认下这个问题,当前市面上的MSO确实有数字信号处理能力,可以选配16路数字信号采集,也具有一定的分析功能,但是仔细确认发现其数字信号采样能力有很大的限制。一般一台示波器如果模拟通道的采样率可以做到5GS/s,而其数字通道的采样率只有200MS/s,市面上最高数字采样率到500MS/s。大家都知道采样率对信号还原,尤其对偶发异常信号捕获的重要性,所以就目前的市面的MSO系列混合信号示波器来说,会对测试的结果存在疑虑。

泰克新一代示波器MSO4/MSO5系列示波器基于泰克全新的TEK049平台打造,大大提升了其信号采集及处理速度,每条模拟及数字通道都可以设定高达6.25GS/s 采样率。让我们来看看新一代示波器MSO4/MSO5和传统混合信号示波器的测试对比。

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图7. 不同采样速率对数字信号细节还原对比

由图7可以看出,对于现在越来越快的数字信号调试,需要更高的采样速率捕获数字信号细节,如果采样率不够就如图7所示会丢失信号的细节,甚至还会显示完全错误的信息。

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图8. MSO4/MSO5高速异常数字信号的捕获

图8可以看到一个40MHz的数字信号,其中偶发一个非常小的干扰信号会导致有2nS的快速脉冲,数字采样率直接导致设定触发条件的极限,如果是500MS/s 最快的脉冲触发只能设定在4ns,但是泰克新一代示波器MSO4/MSO5数字信号的时间分辨率提高了12倍,轻松准确的捕获高速的数字信号。

探头的选择与设置至关重要

探头的作用至关重要,为实现测量的最优结果,必须进行折衷,特别是在进行高精度测量时。有时示波器标配的无源探头并不是实现最佳精度的解决方案。

1、选择适当衰减比的探头。最大限度地降低衰减,使信噪比达到最优。在精确测量中,非常重要的一点是使信号幅度达到最大,同时使外部噪声达到最小。探头选择是关键的第一步。

电压探头与示波器的输入阻抗构成电压分路器(如1X、10X、100X),会衰减输入信号。1X探头不会降低或衰减信号,10X探头则会把输入信号降低到原始信号幅度的1/10。示波器通过放大信号来补偿这种衰减,遗憾的是,示波器也会放大探头引入的任何噪声。从信噪比角度来看,最优探头应该没有衰减或衰减很低的。

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图9. TPP0502高阻抗无源探头提供了500 MHz带宽,但只有2倍衰减。

2、使用短地线。最大限度地降低噪声耦合。所有电压测量都是相对于参考源进行的,这个参考源通常是“接地”。准确的测量,特别是低压测量,尤其依赖到参考电压的低阻抗路径。为使信号失真和引入噪声达到最小,使用的接地线应尽量短。

尽管标准无源探头上的长地线会方便连接信号,但地线电感会与输入电容谐振,在快速边沿上导致振铃。由探头尖端和地线构成的大环路面积会把噪声磁耦合到信号中。此外,地线的感性电抗与开关器件等噪声源接近,会把噪声耦合到信号中。最好的解决方案是最大限度地缩短地线长度,并尽可能接近信号端,把它连接到参考点上(如果条件允许建议使用接地弹簧)。

3、使用探头的硬件滤波。当选择某些有源探头时可以选择性使用内置探头滤波器降低噪声。许多有源差分电压探头或电流探头标配带宽滤波功能。有时为灵活起见,探头机身内置的带宽滤波功能提供了多种带宽设置。

在某些情况下,在选择其中一个带宽滤波器时,探头会与示波器通信,另外还会在示波器前端打开硬件滤波功能。这进一步降低了系统噪声,有助于提高系统的信噪比。滤掉不想要的噪声可以查看进一步细节,获得更高的测量分辨率。

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图10. 左侧AC+DC信号。右侧去掉了DC分量,

成比例缩放AC分量,以改善分辨率。

4、使用探头的DC偏置来测试小的AC信号。在涉及大电压时,人身安全及设备可靠性至关重要,以便检验最大电压完全落在测试系统的“绝对”或“非破坏”最大输入指标内。此外,为准确测量,非常重要的一点是信号要保持在标称工作范围内(如有源探头的线性范围或动态范围内)

如果说接近低电平的小信号测量极具挑战性,那么测量位于大DC电压信号上的低压AC信号的难度则要大得多。在电源上进行纹波测量是这种应用的常见实例。进行DC 偏置可能会涉及探头设置以及示波器前端设置。在DC 偏置上测量低电压信号最简单的技术是使用参考地电平的探头采集整个信号,然后测量AC分量 (图10左图)。DC偏置技术不允许AC、信号测量全面利用测量系统的动态范围,信噪比会很差。

最后划一遍重点!

随着电力电子技术,新材料及器件技术的高速发展,当今工程师面临着,更快,更小,更复杂信号的调试挑战。更加准确的测试不仅仅体现在测试设备本身的硬件指标,还要考虑整体的测试系统的性能。

一个高精度的示波器测试系统要从信号的整个环节打造,从信号的接入,前端放大器,模数转换及后续的数据处理分析。

泰克4系列MSO混合信号示波器

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-12 bit ADC!

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泰克专注示波器70多年,追求卓越,打造经典,不断创新是我们作为工程师人的一贯理念。

我们是泰克,我们为工程师而创!

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