如何使用示波器进行小信号测量

1 引言

本文主要讨论使用示波器进行小信号测量相关的性能参数，如：垂直灵敏度、本底噪声等，并结合相关测试进行说明。

2 小信号测量

工程师在使用示波器时经常会遇到测量小信号的应用，其中最关心的可能就是测量精度问题，那么如何才能进行精确的小信号测量，特别是在信噪比小的情况下。我们今天就讨论与小信号测量的相关示波器参数，并进行相关测试。

首先，需要对信号进行测量肯定需要一个稳定的触发，尤其是对于小信号。因为在信噪比小的时候噪声或干扰较大，往往不能形成稳定的触发，这就需要一个稳定的能抗噪声干扰的触发系统。目前，数字触发与广泛使用的传统模拟触发系统相比，在这方面就具有极大的优势。关于数字触发，本文不作详细介绍。在稳定触发之后，跟小信号测量精度相关的参数主要讨论垂直灵敏度和本底噪声。

图1 传统触发方式不能适应小信噪比信号的触发

     

图2 数字触发能保证稳定触发

2.1 垂直灵敏度

图3 数字示波器工作原理框图

数字示波器工作原理如图3所示，模拟信号通过输入通道进入示波器即会通过一个放大器，我们称之为垂直增益放大器。该放大器是处于ADC之前，对模拟信号进行放大（若信号过大，则通过衰减器进行衰减）。经过放大或衰减的信号再通过ADC才转化成数字信号，然后通过处理最终显示在示波器屏幕上面。与垂直增益放大器对应的示波器面板操作其实就是垂直区域的旋钮，可能大家对于这个旋钮比对放大器更为熟悉。

因此，对于信号的测量精度，在模拟部分，特别是垂直增益放大器就起了至关重要的作用。当然，ADC的量化误差对信号测量精度同样有影响，不过在之前的文章中有讨论，我们就不累述。垂直增益放大器相关指标主要涉及到垂直灵敏度、DC增益精度等。DC增益精度体现了放大器的线性性能，用百分比表示。R&S示波器DC增益精度手册给出的值一般在±1.5%，但实测值还会更小。对于小信号测量，垂直灵敏度更为重要。它体现了对信号的放大能力，单位用 mV/div或 V/div表示。众所周知，进行波形测量时需要调整垂直旋钮，使波形尽量占满示波器整个显示栅格。示波器厂家也一般推荐使波形至少达到80%以上的垂直区域。这样做的目的是使测量当中的量化噪声尽量小。比如，在2mV/div时测量结果的量化误差肯定会比1mV/div时大一倍。因此，在进行小信号测量时，比如毫伏级甚至微伏级的信号，我们需要将垂直灵敏度设置到最小才能尽可能的降低量化误差的影响。由于各个示波器厂家的垂直增益放大器各不相同，因此体现出来的放大性能也不一样，垂直灵敏度所能达到的最小值也不一样。目前业内能达到的最小垂直灵敏度为1mV/div。但这一指标并非所有厂家都能达到。有的垂直旋钮可以调到1mV/div这样的小量程，但却不是放大器真正的放大，而是通过显示放大（Magnification）的方式，类似于Zoom。图5可以看出，这种显示放大到达的小量程设置，虽然图片放大了，但量化误差还是大量程下，如10mV/div或5mV/div的等级。

另外有些厂家垂直增益放大器的能力可以达到1mV/div的等级，并且无显示放大，但却有带宽限制，即如果量程设置到小量程，如1mV/div，带宽就会被限制到200MHz，2mV/div时，带宽被限制到500MHz。这样对于一些高频的小信号测试就显得无能为力。

R&S公司采用自己研发的优异性能垂直增益放大器，保证示波器在达到最小1mV/div的灵敏度（非显示放大）同时也能保证示波器在全带宽情况下工作。如图6所示，该示波器为R&S RTO1044示波器，带宽为4GHz。可以看出，在1mV/div灵敏度是，4GHz示波器带宽不受任何限制。那么R&S示波器到底能测多小的信号呢，我们做了如图7所示实验，可以看出在信号Amplitude值小至约40μV时，R&S示波器同样能够轻松测量。那能不能测更小的信号呢，感兴趣的读者可以继续尝试：）

 

 

2.2 本底噪声

提到测量精度，很多读者可能想到的就是ADC量化位数，量化位数越高，精度也就越高。的确，ADC位数越高，量化误差也就越小。但测量精度是受多方面影响的，比如本底噪声就是其中很重要的一个因素，特别是对于小信号测量。举个例子：如果示波器本底噪声过大，淹没了小信号，那此时即使用再高位数ADC的示波器，量化误差再小也是测量不到信号的，因为在输入ADC之前的模拟前端，信号就已经“消失”在本底噪声之中了。所以，对于信号的测量精度，需要综合各方面的因素来看。

本底噪声主要受示波器模拟前端设计影响。优秀的模拟前端设计可以将示波器本底噪声降至最低。

图8 R&S RTO示波器模拟前端设计

R&S公司的示波器模拟前端均由具有多年工作经验的德国射频专家设计，因此能很好的将本底噪声降至最低。图8为R&S RTO示波器带电磁屏蔽的模拟前端电路。为了验证R&S示波器本底噪声性能，我们与某厂家的12位示波器分别在时域和频域做了比较。

 

时域方面，两台相同带宽示波器均在最小量程下进行底噪比较。R&S RTO1004示波器垂直为10格刻度，底噪值为80μV。某厂家12位示波器垂直为8格刻度，底噪值为114.46μV，如果换算成10格刻度来比较，那么底噪应为114.46μV × 1.25 = 143μV。由此可见，RTO底噪更胜一筹。

图9 RTO 600M 本底噪声80μV

频域方面，我们均采用10MHz频率，功率-110dBm的正弦波作为输入。从图10可以看出，R&S示波器凭借极低的底噪声可以清晰的测量该微弱信号。而某厂家的示波器虽然为12位ADC，但由于信号淹没于噪声当中，对该信号无法进行测量。大家有兴趣可以做相关对比实验。

图10 RTO测试-110dBm信号

作者简介： 周永舜先生于2010年毕业于电子科技大学电子工程学院，信号与信息处理专业，获工学硕士学位。毕业后供职于华为技术有限公司，先后从事微波中频芯片算法研发与微波产品海外行销工作。于2012年加入罗德与施瓦茨公司。现任罗德与施瓦茨公司成都示波器业务发展工程师，主要负责西南地区示波器产品市场推广工作。
编辑：hfy