盡量擴(kuò)大測量動態(tài)范圍

﹒通過計算平均值提高測量分辨率

﹒利用高分辨率采集提高測量分辨率

﹒使用交流耦合去除直流偏置

﹒使用示波器和探頭限制帶寬

﹒選擇優(yōu)化信號完整性的探測方法

﹒使用差分探頭進(jìn)行安全且精確的浮置測量

﹒不要選擇耦合輻射功率的探測附件

﹒選擇避開示波器最靈敏設(shè)置的探頭

1、通過計算平均值提高測量分辨率

在某些功率測量應(yīng)用中，您需要測量大動態(tài)范圍的值，同時還需要精細(xì)的分辨率，以測量參數(shù)的微小變化。除了借助高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器之外，您也可以使用其他采集方法來降低隨機(jī)噪聲并增加測量的有效動態(tài)范圍，例如求平均值法和高分辨率采集法。

求平均值法要求被測信號必須是重復(fù)信號。該算法對每段時間內(nèi)多次采集的點(diǎn)求平均值。

這樣可以降低隨機(jī)噪聲，為您提供更高的垂直分辨率。

垂直分辨率每增加一位，需要計算多少平均值？答案是每計算 4 個采樣平均值，便可將垂直分辨率增加 1 位。原理如下：

增加的位數(shù) = 0.5 log2 N

N = 計算平均值的采樣數(shù)

例如，對 16 個采樣求平均值，垂直分辨率將增加：

位數(shù) = 0.5 log2 16 = 2

因此，有效垂直分辨率為 8 + 2 = 10 位。

這種算法最高可將垂直分辨率提高到 12 位，因?yàn)樵倮^續(xù)下去，其他因數(shù)( 例如示波器的垂直增益或偏置精度) 將起到?jīng)Q定性作用。平均值模式的優(yōu)點(diǎn)是，對示波器的實(shí)時帶寬沒有任何限制。缺點(diǎn)是僅適用于重復(fù)信號，并且會降低波形更新速率。

▲圖1.正常采集模式下捕獲的開關(guān)電源 Vds

▲圖2.正常平均模式下捕獲的 Vds

2、利用高分辨率采集提高測量分辨率

降低噪聲的第 2 個方法是高分辨率模式，它不要求被測信號必須是重復(fù)信號。Keysight InfiniiVision 3000 X 系列等現(xiàn)代化示波器在正常采集模式下可提供 8 位垂直分辨率( 與大多數(shù)其他數(shù)字化示波器類似)。然而像平均模式一樣，高分辨率模式最高也只能達(dá)到12 位的垂直分辨率。

高分辨率模式是對同一次采集的連續(xù)點(diǎn)求平均值，而不是對某個時間段內(nèi)多次采集的點(diǎn)求平均值。在高分辨率模式中，您不能像在平均模式中那樣，直接控制平均值數(shù)量。垂直分辨率增加的位數(shù)由示波器的時間/ 格設(shè)置決定。

當(dāng)在較慢時基范圍狀態(tài)下工作時，示波器會連續(xù)過濾相繼的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將過濾結(jié)果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲器深度，也會同時增加進(jìn)行平均值計算的點(diǎn)數(shù)。高分辨率模式下，掃描速度越快，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越少，因此效果就越差。相反，掃描速度越慢，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越多，效果也就越顯著。

3、使用交流耦合去除直流偏置

如果您正重點(diǎn)關(guān)注信號的紋波，可能不會注意到其直流偏置。一般情況下，紋波和噪聲與電源電壓相比是極小的。如果您使用示波器的動態(tài)范圍對這種偏置進(jìn)行定量測量，那么在遇到更微小的信號細(xì)節(jié)時，可能就無法進(jìn)行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為“交流”，可以從測量結(jié)果中去除直流偏置，從而最大限度提高測量的線性度和動態(tài)范圍。

▲圖3. 在高分辨率模式下捕獲的 Vds

4、使用示波器和探頭限制帶寬

這種降低噪聲、增加動態(tài)范圍的方法雖然簡單，但常常被忽視。電源信號內(nèi)容與示波器的標(biāo)稱帶寬相比往往低得多(kHz 至幾十 MHz 級)。多余的帶寬不會傳輸任何信號信息，只會給測量帶來額外的噪聲。

大多數(shù)示波器使用專用的硬件濾波器來解決這個問題――通常是 20 至 25 MHz 低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個優(yōu)勢是，它不會影響示波器的更新速率。

另一種解決辦法是使用探頭限制帶寬。測量鏈的帶寬受其“最弱一環(huán)”的限制。500MHz 示波器配備 10 MHz 探頭，其帶寬將會是 10 MHz。是德科技提供了多種無源、有源的電流和差分探頭，總有一款探頭的帶寬會適合您的特定測量。

5、使用差分探頭進(jìn)行安全且精確的浮置測量

示波器探頭上的接地引線通過 BNC 連接器的外殼連接到機(jī)箱。出于安全考慮，示波器的機(jī)箱通過電源線的接地插頭連接到接地基準(zhǔn)面。示波器與電源的接地方式不同，兩者

之間可能產(chǎn)生沖突。許多需要測量的信號都是以電勢而不是以接地作為基準(zhǔn)( 浮置)。電源設(shè)計人員采用各種方法來克服這一測量限制。

最常用的方法是，通過切斷電源線的防護(hù)接地插頭，或在電源線路中使用隔離變壓器，使示波器“浮置”( 隔離)。這種方法非常危險，因?yàn)樗锌赡茉谑静ㄆ鳈C(jī)箱上形成高電壓。此外，使用浮置示波器執(zhí)行測量，可能導(dǎo)致測量結(jié)果不精確。

測量浮置電源信號的另一種方法是，使用兩個單端電壓探頭執(zhí)行測量，再用通道 A 的測量結(jié)果減去通道 B 的測量結(jié)果，即得到浮置電源信號。使用兩個輸入通道和探頭來測量感興趣的信號節(jié)點(diǎn)。然后使用示波器上的波形運(yùn)算功能，將兩個通道上的電信號相減，得到差分信號的軌跡。

這種方法相對安全一些，因?yàn)槭静ㄆ魇冀K保持接地。然而當(dāng)共模信號相對較小時，此時使用的兩個探頭輸入通道之間的增益會發(fā)生失配，因此共模抑制比較低，大約不到 20dB(10:1)，從而使測量受到一定的限制。

進(jìn)行安全、精確的浮置測量，最好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供較高的共模抑制比，通常達(dá)到 80 dB 或 10，000:1 甚至更高，因此您可以適合的精度和高靈敏度測量大共模信號掩蓋下的小差分信號。使用動態(tài)范圍和帶寬足夠滿足應(yīng)用需求的差分探頭，可實(shí)現(xiàn)安全和精確的浮置測量。

6、不要選擇耦合輻射功率的探測附件

請務(wù)必謹(jǐn)慎選擇探測附件。通用無源探頭在標(biāo)準(zhǔn)配置中通常提供 15 厘米長接地引線和掛鉤探針，這兩種附件可能會探測到電源或其他器件所產(chǎn)生的噪聲。此外，長接地連接往往會產(chǎn)生電感負(fù)載，給被測信號增加振鈴。

反之，較小的探針、較短的接地連接――例如使用電路板上的 BNC 適配器或卡口式接地引線――可以顯著減少探測到的噪聲。其原理是通過盡量減少連接匝數(shù)，以及降低電感負(fù)載，來減少噪聲。

7、選擇避開示波器最靈敏設(shè)置的探頭

如果您測量電源的紋波和噪聲幅度，可能要用到示波器最靈敏或接近最靈敏的 V/ 格設(shè)置。這正好處于放大器性能范圍的邊緣。雖然測試儀器可能會在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)工作，但是實(shí)際的測量效果也許還比不上它的“基本”性能。

在這種情況下，您應(yīng)考慮使用 1:1 探頭，而不是使用儀器標(biāo)配的 10:1 無源探頭。若使用 10:1 探頭，不僅示波器的基線本底噪聲會增加 10 倍，而且示波器的最小 V/ 格設(shè)置也會比使用 1:1 探頭時大 10 倍。這會導(dǎo)致信噪比降低，從而使測量的動態(tài)范圍縮小。使用衰減比較小的探頭，只要測量的信號不超過示波器的最大輸入電壓，就可以獲得出色的信號完整性。