改善數字熒光示波器垂直分辨率的N個(gè)方法（上）

技術(shù)簡(jiǎn)介

在進(jìn)行高分辨率低壓測量時(shí)，如果能更好地了解示波器運行模式及探頭和示波器的性能特點(diǎn)，那么許多示波器用戶(hù)都會(huì )從中受益。本技術(shù)簡(jiǎn)介描述了泰克數字示波器高分辨率波形采集中采用的部分基礎測量和信號處理技術(shù)。通過(guò)了解這些優(yōu)勢和影響，用戶(hù)可以更簡(jiǎn)便地選擇及成功運用泰克示波器和探測解決方案。

測量系統帶寬
進(jìn)行良好測量的第一步，是選擇適當的測量系統。測量系統(包括示波器和探頭)必須擁有充足的模擬帶寬，以捕獲信號中所需的最高頻率，包括諧波。一條很好的通用規則是使用的測量系統的帶寬至少是要測量的信號帶寬的五倍。例如，如果想測量100 MHz數字時(shí)鐘信號，那么探頭和示波器至少要提供500 MHz的帶寬，這可以捕獲最有效的諧波，限制波段邊緣附近發(fā)生的幅度和相位測量誤差。

在進(jìn)行低壓測量時(shí)，應確認正在評估的是相關(guān)靈敏度范圍內的設備帶寬，而不只是產(chǎn)品在最佳情況下的性能。例如，可切換衰減(如1X/10X)探頭在10X路徑中可能會(huì )有非常高的帶寬，但在1X路徑中的帶寬卻非常低。類(lèi)似的，示波器的額定帶寬指標可能會(huì )以1 mV/div速率下降，甚至不能提供這種靈敏度(或只是提供靈敏度較低設備的垂直縮放)。

在測量非正弦曲線(xiàn)信號時(shí)，測量系統的上升時(shí)間可能是相關(guān)度更高的指標。系統的上升時(shí)間用示波器的上升時(shí)間與探頭的上升時(shí)間的平方和的平方根計算得出。一條很好的通用規則是使用的測量系統的上升時(shí)間至少比要測量的信號快五倍，這將在2%范圍內準確測量定時(shí)參數，如圖1所示。

圖1.上升時(shí)間測量誤差。
[圖示內容：]
Measurement Error (%):測量誤差(%)
Ratio of Rise Times:上升時(shí)間之比

盡管充足的帶寬對良好的信號保真度必不可少，但不一定是帶寬越高測量效果越好。在帶寬提高時(shí)，與信號一起捕獲的噪聲也會(huì )提高。

示波器采樣率
示波器的采樣率表明儀器對輸入信號采樣的頻度。為準確地重建信號，避免假信號，內奎斯特定理規定，信號被采樣的速度至少是最高頻率成分的兩倍。信號的準確重建，離不開(kāi)采樣率和重建信號使用的插補方法。在sin (x)/x插補中，一條很好的通用規則是使用的采樣率是系統帶寬的五倍。在捕獲單次事件和瞬態(tài)事件時(shí)，較低的采樣率會(huì )限制示波器的單次帶寬。

選擇最優(yōu)探頭
探頭選型似乎很簡(jiǎn)單，但要進(jìn)行許多關(guān)鍵權衡，才能獲得最優(yōu)結果，特別是在測量低壓信號時(shí)。示波器標配的無(wú)源探頭可能并不是這種應用的最佳解決方案。

在低壓測量中，使信號幅度達到最大，同時(shí)使外部噪聲達到最小非常重要。探頭選型是第一個(gè)關(guān)鍵步驟。電壓探頭與示波器的輸入阻抗形成一個(gè)電壓分路器，一般會(huì )衰減輸入信號，這對提高測量系統的輸入阻抗具有積極影響，但會(huì )降低示波器輸入上的信號電平。示波器通過(guò)放大信號來(lái)補償這種衰減，遺憾的是，示波器也會(huì )放大探頭和示波器增加的任何噪聲。從信噪比角度看，最優(yōu)探頭提供的衰減很小，或不提供衰減，以TPP0502高阻抗無(wú)源探頭為例，它提供了500 MHz帶寬，但衰減只有2X。

為使信號的負荷效應達到最小，應選擇輸入電阻非常高、輸入電容非常低的探頭。(使輸入電容達到最小，會(huì )提高地線(xiàn)電感引起的諧振頻率，或反之，允許使用更長(cháng)的地線(xiàn)，而不會(huì )給信號保真度帶來(lái)進(jìn)一步損耗。)使用有源探頭可能會(huì )實(shí)現最低負荷，但會(huì )影響成本、噪聲和動(dòng)態(tài)范圍。

所有電壓測量都是相對于參考源的，這個(gè)參考源通常是“大地”。準確測量，特別是低壓測量，尤其要依賴(lài)到參考電壓的低阻抗路徑。為最大限度地降低信號失真和撿拾噪聲，應使用最短的接地。盡管標配無(wú)源探頭上的長(cháng)地線(xiàn)方便瀏覽，但地線(xiàn)電感會(huì )與輸入電容諧振，在快速邊沿上導致振鈴。探頭尖端和地線(xiàn)形成的大的環(huán)路區域會(huì )把噪聲磁耦合到信號中。此外，地線(xiàn)和噪聲來(lái)源(如開(kāi)關(guān)器件)之間的電感電抗相距很近，會(huì )把噪聲靜電耦合到信號中。最好的解決方案是使地線(xiàn)的長(cháng)度達到最小，并把地線(xiàn)連到盡可能接近信號連接的參考點(diǎn)上。

如需示波器探頭的進(jìn)一步技術(shù)信息，請參閱《泰克探頭基礎知識入門(mén)手冊》(60W-6053-XX)，網(wǎng)址：www.tektronix.com。


圖2.示波器輸入放大器上的AC耦合。
[圖示內容：]
Oscilloscope:示波器


圖3.在探頭中增加DC偏置。
[圖示內容：]
Probe：探頭
Oscilloscope：示波器
Offset：偏置