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示波器 小信號(hào)測(cè)試
點(diǎn)擊次數(shù):4593 發(fā)布時(shí)間:2016-4-6
示波器 小信號(hào)測(cè)量
關(guān)鍵字: 示波器 小信號(hào)測(cè)量 醫(yī)療
1 引言
本文主要討論使用示波器進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量相關(guān)的性能參數(shù),如:垂直靈敏度、本底噪聲等,并結(jié)合相關(guān)測(cè)試進(jìn)行說明。
2 小信號(hào)測(cè)量
工程師在使用示波器時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到測(cè)量小信號(hào)的應(yīng)用,其中zui關(guān)心的可能就是測(cè)量精度問題,那么如何才能進(jìn)行的小信號(hào)測(cè)量,特別是在信噪比小的情況下。我們今天就討論與小信號(hào)測(cè)量的相關(guān)示波器參數(shù),并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。
首先,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量肯定需要一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā),尤其是對(duì)于小信號(hào)。因?yàn)樵谛旁氡刃〉臅r(shí)候噪聲或干擾較大,往往不能形成穩(wěn)定的觸發(fā),這就需要一個(gè)穩(wěn)定的能抗噪聲干擾的觸發(fā)系統(tǒng)。目前,數(shù)字觸發(fā)與廣泛使用的傳統(tǒng)模擬觸發(fā)系統(tǒng)相比,在這方面就具有極大的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于數(shù)字觸發(fā),本文不作詳細(xì)介紹。在穩(wěn)定觸發(fā)之后,跟小信號(hào)測(cè)量精度相關(guān)的參數(shù)主要討論垂直靈敏度和本底噪聲。
圖1 傳統(tǒng)觸發(fā)方式不能適應(yīng)小信噪比信號(hào)的觸發(fā)
圖2 數(shù)字觸發(fā)能保證穩(wěn)定觸發(fā)
2.1 垂直靈敏度
圖3 數(shù)字示波器工作原理框圖
數(shù)字示波器工作原理如圖3所示,模擬信號(hào)通過輸入通道進(jìn)入示波器即會(huì)通過一個(gè)放大器,我們稱之為垂直增益放大器。該放大器是處于ADC之前,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大(若信號(hào)過大,則通過衰減器進(jìn)行衰減)。經(jīng)過放大或衰減的信號(hào)再通過ADC才轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),然后通過處理zui終顯示在示波器屏幕上面。與垂直增益放大器對(duì)應(yīng)的示波器面板操作其實(shí)就是垂直區(qū)域的旋鈕,可能大家對(duì)于這個(gè)旋鈕比對(duì)放大器更為熟悉。
因此,對(duì)于信號(hào)的測(cè)量精度,在模擬部分,特別是垂直增益放大器就起了至關(guān)重要的作用。當(dāng)然,ADC的量化誤差對(duì)信號(hào)測(cè)量精度同樣有影響,不過在之前的文章中有討論,我們就不累述。垂直增益放大器相關(guān)指標(biāo)主要涉及到垂直靈敏度、DC增益精度等。DC增益精度體現(xiàn)了放大器的線性性能,用百分比表示。R&S示波器DC增益精度手冊(cè)給出的值一般在±1.5%,但實(shí)測(cè)值還會(huì)更小。對(duì)于小信號(hào)測(cè)量,垂直靈敏度更為重要。它體現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的放大能力,單位用 mV/div或 V/div表示。*,進(jìn)行波形測(cè)量時(shí)需要調(diào)整垂直旋鈕,使波形盡量占滿示波器整個(gè)顯示柵格。示波器廠家也一般推薦使波形至少達(dá)到80%以上的垂直區(qū)域。這樣做的目的是使測(cè)量當(dāng)中的量化噪聲盡量小。比如,在2mV/div時(shí)測(cè)量結(jié)果的量化誤差肯定會(huì)比1mV/div時(shí)大一倍。因此,在進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量時(shí),比如毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的信號(hào),我們需要將垂直靈敏度設(shè)置到zui小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由于各個(gè)示波器廠家的垂直增益放大器各不相同,因此體現(xiàn)出來的放大性能也不一樣,垂直靈敏度所能達(dá)到的zui小值也不一樣。目前業(yè)內(nèi)能達(dá)到的zui小垂直靈敏度為1mV/div。但這一指標(biāo)并非所有廠家都能達(dá)到。有的垂直旋鈕可以調(diào)到1mV/div這樣的小量程,但卻不是放大器真正的放大,而是通過顯示放大(Magnification)的方式,類似于Zoom。圖5可以看出,這種顯示放大到達(dá)的小量程設(shè)置,雖然圖片放大了,但量化誤差還是大量程下,如10mV/div或5mV/div的等級(jí)。
圖4 大量程設(shè)置下的波形
圖5類似zoom方式的小量程設(shè)置
另外有些廠家垂直增益放大器的能力可以達(dá)到1mV/div的等級(jí),并且無顯示放大,但卻有帶寬限制,即如果量程設(shè)置到小量程,如1mV/div,帶寬就會(huì)被限制到200MHz,2mV/div時(shí),帶寬被限制到500MHz。這樣對(duì)于一些高頻的小信號(hào)測(cè)試就顯得無能為力。
R&S公司采用自己研發(fā)的優(yōu)異性能垂直增益放大器,保證示波器在達(dá)到zui小1mV/div的靈敏度(非顯示放大)同時(shí)也能保證示波器在全帶寬情況下工作。如圖6所示,該示波器為R&S RTO1044示波器,帶寬為4GHz。可以看出,在1mV/div靈敏度是,4GHz示波器帶寬不受任何限制。那么R&S示波器到底能測(cè)多小的信號(hào)呢,我們做了如圖7所示實(shí)驗(yàn),可以看出在信號(hào)Amplitude值小至約40μV時(shí),R&S示波器同樣能夠輕松測(cè)量。那能不能測(cè)更小的信號(hào)呢,感興趣的讀者可以繼續(xù)嘗試:)
圖6 全帶寬下1mV/div
圖7 小信號(hào)測(cè)試(約40μV ?。。。?/span>
2.2 本底噪聲
提到測(cè)量精度,很多讀者可能想到的就是ADC量化位數(shù),量化位數(shù)越高,精度也就越高。的確,ADC位數(shù)越高,量化誤差也就越小。但測(cè)量精度是受多方面影響的,比如本底噪聲就是其中很重要的一個(gè)因素,特別是對(duì)于小信號(hào)測(cè)量。舉個(gè)例子:如果示波器本底噪聲過大,淹沒了小信號(hào),那此時(shí)即使用再高位數(shù)ADC的示波器,量化誤差再小也是測(cè)量不到信號(hào)的,因?yàn)樵谳斎?/span>ADC之前的模擬前端,信號(hào)就已經(jīng)“消失”在本底噪聲之中了。所以,對(duì)于信號(hào)的測(cè)量精度,需要綜合各方面的因素來看。
本底噪聲主要受示波器模擬前端設(shè)計(jì)影響。的模擬前端設(shè)計(jì)可以將示波器本底噪聲降至zui低。
圖8 R&S RTO示波器模擬前端設(shè)計(jì)
R&S公司的示波器模擬前端均由具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的德國射頻專家設(shè)計(jì),因此能很好的將本底噪聲降至zui低。圖8為R&S RTO示波器帶電磁屏蔽的模擬前端電路。為了驗(yàn)證R&S示波器本底噪聲性能,我們與某廠家的12位示波器分別在時(shí)域和頻域做了比較。
時(shí)域方面,兩臺(tái)相同帶寬示波器均在zui小量程下進(jìn)行底噪比較。R&S RTO1004示波器垂直為10格刻度,底噪值為80μV。某廠家12位示波器垂直為8格刻度,底噪值為114.46μV,如果換算成10格刻度來比較,那么底噪應(yīng)為114.46μV × 1.25 = 143μV。由此可見,RTO底噪更勝*。
圖9 RTO 600M 本底噪聲80μV
頻域方面,我們均采用10MHz頻率,功率-110dBm的正弦波作為輸入。從圖10可以看出,R&S示波器憑借極低的底噪聲可以清晰的測(cè)量該微弱信號(hào)。而某廠家的示波器雖然為12位ADC,但由于信號(hào)淹沒于噪聲當(dāng)中,對(duì)該信號(hào)無法進(jìn)行測(cè)量。大家有興趣可以做相關(guān)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
圖10 RTO測(cè)試-110dBm信號(hào)