详解提升示波器动态范围的五个技巧

引言

通过结合更高的垂直分辨率、平均（Averaging）、滤波（Filtering）以及合理的显示与耦合（Coupling）设置，可以最大化示波器的动态范围。

动态范围是指测量中可达到的最大信号电平与最小信号电平之比。具备良好动态范围的仪器对于分析宽动态范围信号尤为有用，这类信号既需要采集满量程信号，同时又必须能清晰显示极小幅度信号的细节。以下是提升测量仪器动态范围的五个技巧。

1 - 尽可能从更高的垂直分辨率开始

示波器的动态范围取决于采集系统中所使用的模数转换器（Analog-to-digital converter）的分辨率及其支持的架构。垂直分辨率每增加 1 位，动态范围就增加 6 dB。

图 1 展示了对功率场效应晶体管（FET）饱和电压（Saturation voltage）的两次测量。该饱和电压约为 1 伏特，但信号的完整动态范围为 46 dB。8 位示波器的分辨率为 48 dB，仅勉强能够覆盖该信号的完整动态范围，而 12 位示波器的分辨率为 72 dB。两者在解析这一极小信号的能力上存在明显的视觉差异。

 

图1：使用 8 位和 12 位分辨率示波器测量功率场效应晶体管的饱和电压

Teledyne LeCroy HDO 及 HD 系列高精度示波器，无论采样率、活动通道数量如何变化，均能稳定提供 12 位垂直分辨率。得益于这种始终如一的 12 位架构，用户自测试初始阶段即可获取卓越的动态范围表现。

2 - 为每个波形使用独立的栅格

请选择合适的显示栅格，以避免损失示波器的动态范围。在多栅格显示出现之前，将多条轨迹放在同一栅格上是常见做法：通过降低各通道的垂直灵敏度（增益）来显示所有波形，然后调整偏移（Offset）将它们分开显示。对某些人来说，这是常规操作。

但如果在单个栅格上显示四条轨迹，并将每条轨迹的垂直灵敏度降低 4 倍，那么动态范围也会随之降低 4 倍（图 2）。虽然显示效果可能尚可，但每个通道的动态范围实际上减少了 2 位，即 12 dB。一台 8 位示波器此时变成了 6 位示波器，12 位示波器变成了 10 位示波器，依此类推。

图2：不要通过降低垂直灵敏度和调整偏移来在单个栅格上显示所有轨迹，而应使用多栅格显示

3 - 使用平均（Averaging）

可以利用平均功能（Averaging）来切实提升动态范围。如果信号是重复的，那么进行多次采集并对结果求平均，可将动态范围提升至所平均信号数量的平方根倍。例如，4 次平均可带来 2 倍（6 dB 或 1 位）的提升；64 次平均可带来 8 倍（18 dB 或 3 位）的提升。这还会使显示波形更加清晰。图 3 展示了对波形使用平均函数处理所带来的改善。

图3：请使用 Averaging 来提升测量的动态范围

平均不会降低测量的带宽。它能消除白噪声，但不会减少失真的影响，因此您仍然能够捕获波形异常。

4 - 使用滤波（Filtering）

另一种提升动态范围的技术是对信号进行滤波。现代示波器具备多种用于实现滤波的软件工具。在 Teledyne LeCroy 示波器上，最易于使用的工具是增强分辨率（ERES）。ERES 使用有限脉冲响应（FIR）低通滤波器来降低信号带宽。这能减少白噪声，但代价是测量带宽会降低。

分辨率增强共有六档设置，从 0.5 位到 3 位不等。每增加 0.5 位，带宽会降低一半，同时垂直分辨率提升 3 dB。在图 4 中，为轨迹增加 2.5 位 ERES 后，带宽降至 36.5 MHz，但分辨率提升了 15 dB。

图4：请使用 ERES 通过对采集信号进行低通滤波来提升分辨率

请注意，当平均或滤波作为数学函数（而非通道预处理形式）应用时，可以同时观察原始信号和处理后的信号。这有助于您验证该操作对信号和测量的影响，并判断这种“代价”是否可以接受。

5 - 调整耦合（Coupling）方式

测量叠加在大信号上的小信号是非常困难的——例如，在标称电源轨电压上测量电源纹波。老一代工程师过去常常通过使示波器过载来获得观察小幅度信号所需的高垂直灵敏度。在旧式示波器设计中，这可能行得通，但在前端采用现代数字信号处理的今天，这绝对是“禁忌”。切勿使通道输入过载！

如果需要使用示波器的全部带宽，建议使用直流耦合（DC coupling）。然后，您可以添加通道垂直偏移来抵消标称电压。但由此产生的问题是，在高灵敏度设置下，偏移电压范围受限。例如，一台 HDO 示波器在 1 mV 至 4.95 mV/div 的灵敏度下，偏移范围为 ±1.6 V。这对于 1 V 或 1.1 V 的信号没有问题，但对于 3.3 V 的信号则无法使用。还需注意，垂直偏移会引入 ±（偏移量的 0.5% + 满量程的 0.5% + 1 mV）的误差。

可以使用 10:1 探头，这会将偏移范围扩大 10 倍，但同时也会将小信号衰减相同的倍数，因此这不是一个好选择。

另一种选择是使用交流耦合（AC coupling），它可以阻断电压的直流分量。但必须牢记，交流耦合具有高通特性，低于约 10 Hz 的频率会被衰减。如果您需要观察截止频率以下的频率，这可能会带来问题。此外，信号的直流分量也会丢失。但是，如果您不关心低频或直流分量，这可能是一个不错的选择。

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