示波器小信號測量

本文主要討論使用示波器進(jìn)行小信號測量相關(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)測試進(jìn)行說明。

2 小信號測量

工程師在使用示波器時(shí)經(jīng)常會遇到測量小信號的應(yīng)用，其中最關(guān)心的可能就是測量精度問題，那么如何才能進(jìn)行精確的小信號測量，特別是在信噪比小的情況下。我們今天就討論與小信號測量的相關(guān)示波器參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)測試。

首先，需要對信號進(jìn)行測量肯定需要一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)，尤其是對于小信號。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。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，跟小信號測量精度相關(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，模擬信號通過輸入通道進(jìn)入示波器即會通過一個(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，對模擬信號進(jìn)行放大（若信號過大，則通過衰減器進(jìn)行衰減）。經(jīng)過放大或衰減的信號再通過ADC才轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過處理最終顯示在示波器屏幕上面。與垂直增益放大器對應(yīng)的示波器面板操作其實(shí)就是垂直區(qū)域的旋鈕，可能大家對于這個(gè)旋鈕比對放大器更為熟悉。

因此，對于信號的測量精度，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的量化誤差對信號測量精度同樣有影響，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增益精度手冊給出的值一般在±1.5%，但實(shí)測值還會更小。對于小信號測量，垂直靈敏度更為重要。它體現(xiàn)了對信號的放大能力，單位用 mV/div或 V/div表示。眾所周知，進(jìn)行波形測量時(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量當(dāng)中的量化噪聲盡量小。比如，在2mV/div時(shí)測量結(jié)果的量化誤差肯定會比1mV/div時(shí)大一倍。因此，在進(jìn)行小信號測量時(shí)，比如毫伏級甚至微伏級的信號，我們需要將垂直靈敏度設(shè)置到最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)到的最小值也不一樣。目前業(yè)內(nèi)能達(dá)到的最小垂直靈敏度為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。

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，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，帶寬就會被限制到200MHz，2mV/div時(shí)，帶寬被限制到500MHz。這樣對于一些高頻的小信號測試就顯得無能為力。