技術(shù)篇-連載第三篇：泰克MSO6的低噪聲設計

　　噪聲是一種無(wú)處不在的常見(jiàn)問(wèn)題。幾乎處理電路的每個(gè)人都要用一定的時(shí)間處理噪聲，要么找到噪聲來(lái)源修復它，要么減少噪聲對測量的影響。噪聲來(lái)自于各種各樣的地方，包括設計內部來(lái)源或外部來(lái)源，噪聲可能會(huì )淹沒(méi)測試信號。您可能在測量低壓(mV)信號方面正碰到麻煩，如在雷達傳輸或心臟監測儀中，噪聲會(huì )使您很難找到信號的實(shí)際電壓。噪聲可能使抖動(dòng)增加，從而很難進(jìn)行精確分析。因此，要對低電壓信號進(jìn)行準確測量，不僅要保證示波器本身的低噪聲，而且還需要簡(jiǎn)單精確的測量手段。

　　而示波器的低噪聲設計也一直被追捧，不僅因為低噪聲的重要性，同時(shí)還包含其技術(shù)挑戰的難度。示波器設計中要考慮到許多因素，只有方方面面都做到精益求精，才能把產(chǎn)品做得像一件精美的藝術(shù)品。泰克示波器提供了相應的功能和工具，幫助您處理噪聲。本篇內容分為兩部分，本文將首次披露泰克示波器低噪聲設計細節，以及示波器中常用的測量工具。

　　低噪聲設計

　　一、低噪聲前置放大器的設計

　　眾所周知，示波器的模擬前端，包含衰減電路、緩沖電路和放大器電路都會(huì )引入噪聲。這也是示波器的本底噪聲的重要來(lái)源。通常都會(huì )將模擬前端的設計作為評價(jià)示波器噪聲的表現的重要指標。泰克MSO6采用了全新設計的前端放大器Tek061，在較小的伏特/格設置上實(shí)現了非常好的噪聲性能。因此在放大小信號觀(guān)察細節時(shí)， Tek061的優(yōu)秀表現讓我們脫穎而出。

　　二、ADC模數轉換的設計

　　當前使用的數字示波器中，ADC的量化噪聲是示波器噪聲另一來(lái)源。MSO6采用了世界上速度最快的新型12位ADC轉換器，內部運行速率達25GS/s，每通道采樣率要比以前的同類(lèi)示波器高出25%。12位實(shí)現了4096種垂直模數轉換電平，分辨率比采用8位ADC的示波器高出16 倍。每條ADC通道基于交織連續接近寄存器(SAR)結構，基于該ADC的TEK049平臺性能可以最高實(shí)現了100 GS/s的總吞吐量。這樣就把通道中大量的后端噪聲分散到更大的帶寬上，采用合適的濾波器濾除噪聲，實(shí)現精確測量。

　　三、晶體振蕩器的選擇

　　MSO6采用的恒溫晶體振蕩器實(shí)現了一流的鎖相環(huán)ASIC，時(shí)鐘路徑的噪聲非常低。采用的時(shí)基精度為±20ppb(在校準時(shí), 25℃環(huán)境溫度, 在任意 ≥1 ms 間隔上)。實(shí)現了產(chǎn)生的時(shí)鐘精度非常高，相位噪聲非常低。這么低的相位噪聲，使我們的客戶(hù)能夠更準確地進(jìn)行時(shí)間測量。

　　四、信號通路的設計

　　差分路徑設計不易受來(lái)自其他內部源的串擾影響。信號通常以單端方式進(jìn)入示波器。所有單端信號都在RF屏蔽之下，使用共面波導傳送，使其與其他外部噪聲源隔開(kāi)。而一旦信號經(jīng)過(guò)前置放大器，那么它會(huì )很快變成差分信號，然后才能脫離屏蔽區域。接地的共面波導是RF設計常用的一種路徑選擇技術(shù)。選擇一條路徑，然后在該路徑的兩側放上接地層，從電路板到接地將過(guò)孔縫合，這可以防止信號受到任何其他外部噪聲源的耦合影響。

　　另外，MSO6還特別注意內部屏蔽，尤其是前端，因為這才是真正的焦點(diǎn)。因此，Tek061前端放大器實(shí)現全包圍的屏蔽層覆蓋，這樣既有助于實(shí)現優(yōu)異的噪聲性能，又有助于實(shí)現通道隔離，這也是這一代產(chǎn)品優(yōu)于上一代產(chǎn)品的地方。實(shí)際上，與其他競爭對手的任何其他產(chǎn)品相比，我們的通道間隔離度都是非常好的。從低噪聲Tek061前置放大器入手，然后防止內部的所有其他噪聲源。我們研制出這種RF屏蔽，并特別注意其他通道的串擾，儀器內部其他噪聲源，比如采集內存，噪聲可能會(huì )很大，因此我們必須把它與采集內存屏蔽開(kāi)。電源的距離要盡可能遠，確保電源的噪聲非常低。

　　五、電源的設計

　　干凈的電源是數字電路穩定工作的前提，電源的紋波和噪聲都會(huì )影響電源供應的質(zhì)量，MSO6特別注重低噪聲電源的設計，對電源信號進(jìn)行了包含頻譜分析在內的大量分析，對不同的雜散信號進(jìn)行了詳細的頻域分析，然后著(zhù)力解決掉這些問(wèn)題。

　　降低顯示的信號上的噪聲幾種常用方法

　　首先需要對信號進(jìn)行穩定觸發(fā)，一旦獲得穩定觸發(fā)，可以進(jìn)一步在示波器上調節噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點(diǎn)：帶寬限制濾波器、平均采集模式、HiRes采集模式。

　　1. 帶寬限制濾波器

　　帶寬限制濾波器把示波器的帶寬降低到選擇的頻率。也就是說(shuō)，高于選定頻率的頻率將從觸發(fā)路徑及采集和顯示路徑中衰減或完全去掉。帶寬限制濾波器不僅可以用來(lái)保持穩定觸發(fā)，還可以用來(lái)降低示波器上顯示的噪聲數量。使用帶寬限制濾波器是降低示波器中噪聲的最簡(jiǎn)單的方式之一，如果所有不想要的噪聲頻率都高于固定截止頻率，那么特別適合使用帶寬限制濾波器。但是，它也會(huì )去掉可能發(fā)生的高速毛刺信號。

　　2. 平均采集模式

　　平均采集模式進(jìn)行若干個(gè)完整的采集，逐點(diǎn)進(jìn)行平均，獲得采集中每個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)的平均電壓。用戶(hù)可以調節平均選項，包括的采集數量。噪聲在采集過(guò)程中一般是隨機的，有時(shí)上升，有時(shí)下降。這些隨機變化在數量足夠多的采集中平均時(shí)，它們將抵消，在屏幕上產(chǎn)生穩定的信號。當然，為利用平均采集模式，您的波形必須是重復的，不重復的波形或單次事件不能平均。

　　平均采集模式會(huì )降低各類(lèi)不相關(guān)的信號和隨機噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時(shí)間/格設置。由于必須采集多個(gè)波形，才能創(chuàng )建一個(gè)平均后的波形，因此在輸入信號變化或前面板旋鈕變化時(shí)，顯示畫(huà)面更新速度可能會(huì )很慢，這意味著(zhù)可能會(huì )漏掉偶發(fā)的毛刺。但是，相對于帶寬限制濾波器，在某些應用中，平均采集模式的效果要更好，因為可以使用示波器的全部帶寬，捕獲高頻重復事件。

　　3. HiRes采集模式

　　泰克示波器包括HiRes采集模式，這種模式與平均采集模式類(lèi)似，因為它使用平均消除噪聲。HiRes在每個(gè)采集上執行矩形平均，平均采集一個(gè)波形內的多個(gè)相鄰樣點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)平均后的樣點(diǎn)。這會(huì )降低高頻噪聲，因為平均可以抵消噪聲引起的電壓高速變化。它還會(huì )降低采樣率，因為它把多個(gè)樣點(diǎn)轉換成一個(gè)樣點(diǎn)。因此，HiRes采集模式只適用于較慢的時(shí)間/格設置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率測量被測信號。

　　與平均采集模式不同，HiRes采集模式可以用于不重復的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個(gè)波形，HiRes采集模式在輸入或前面板設置變化后顯示更新速度要快得多。把時(shí)間上相鄰的多個(gè)樣點(diǎn)結合在一起，還減少了在較低時(shí)間/格設置上產(chǎn)生假信號的機會(huì )。

　　4. DSP濾波器

　　另外，示波器提供了后處理DSP濾波器，從信號中去掉某些頻率的噪聲?？梢匀婵刂茷V波頻率。盡管這些濾波器可能會(huì )很靈活，但它們通常會(huì )很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會(huì )在您不知道的情況下，濾掉感興趣的重要毛刺或異常事件。