盡量擴(kuò)大測量動(dòng)態(tài)范圍

﹒通過計(jì)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(hào)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(jì)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(dòng)態(tài)范圍的值，同時(shí)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(dòng)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(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。該算法對每段時(shí)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(jì)算多少平均值？答案是每計(jì)算 4 個(gè)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(jì)算平均值的采樣數(shù)

例如，對 16 個(gè)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(shí)帶寬沒有任何限制。缺點(diǎn)是僅適用于重復(fù)信號(hào)，并且會(huì)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(gè)方法是高分辨率模式，它不要求被測信號(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。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(gè)時(shí)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(shí)間/ 格設(shè)置決定。

當(dāng)在較慢時(shí)基范圍狀態(tài)下工作時(shí)，示波器會(huì)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(chǔ)器深度，也會(huì)同時(shí)增加進(jìn)行平均值計(jì)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(hào)的紋波，可能不會(huì)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(dòng)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(hào)細(xì)節(jié)時(shí)，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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的方法雖然簡單，但常常被忽視。電源信號(hào)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(jí))。多余的帶寬不會(huì)傳輸任何信號(hào)信息，只會(huì)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(gè)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(gè)優(yōu)勢是，它不會(huì)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(huì)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(huì)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(hào)都是以電勢而不是以接地作為基準(zhǔn)( 浮置)。電源設(shè)計(jì)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(xiǎn)，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(hào)的另一種方法是，使用兩個(gè)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(hào)。使用兩個(gè)輸入通道和探頭來測量感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。然后使用示波器上的波形運(yùn)算功能，將兩個(gè)通道上的電信號(hào)相減，得到差分信號(hào)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(hào)相對較小時(shí)，此時(shí)使用的兩個(gè)探頭輸入通道之間的增益會(huì)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(hào)掩蓋下的小差分信號(hào)。使用動(dòng)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(huì)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(huì)產(chǎn)生電感負(fù)載，給被測信號(hào)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(huì)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(huì)增加 10 倍，而且示波器的最小 V/ 格設(shè)置也會(huì)比使用 1:1 探頭時(shí)大 10 倍。這會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，從而使測量的動(dòng)態(tài)范圍縮小。使用衰減比較小的探頭，只要測量的信號(hào)不超過示波器的最大輸入電壓，就可以獲得出色的信號(hào)完整性。