對于測試儀器來說，精度、可靠性、穩(wěn)定性及功能是非常重要的幾個(gè)指標(biāo)，這也決定了工程師對測試結(jié)果的信心?；谑静ㄆ鞯脑O(shè)計(jì)原理，它具有非常高的采樣速率，時(shí)間精度可以保證，但很多工程師卻忽略了其幅度的測試精度。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，低功耗器件的大量應(yīng)用以及更加嚴(yán)苛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約束，工程師對測試的精度越來越關(guān)注，開始不滿足于市面上示波器幅度測試的分辨率和精度了。

對于示波器這種測試儀器，如何選擇和設(shè)定可以獲得最優(yōu)的測試精度呢？

在進(jìn)行測量時(shí)，您可以把數(shù)字示波器看成一個(gè)測試系統(tǒng)，來改善測量結(jié)果（參照圖1）。在對示波器工作模式、探頭特點(diǎn)、濾波技術(shù)及整個(gè)系統(tǒng)交互方式有了基本了解之后，您可以改善小信號的測量效果。

為實(shí)現(xiàn)高精度測量，必須考慮整條信號路徑，從探頭尖端，到示波器的模擬前端、采樣和數(shù)字信號處理。如圖1 所示的每個(gè)系統(tǒng)單元都會影響測量精度，可以進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。

圖1. 示波器測試系統(tǒng)示意圖

1、示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換

為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC 位數(shù)，但是因?yàn)锳DC 采樣率和垂直分辨率性能的互相制約，目前市面上常見的示波器是采用8bit ADC。我們換個(gè)角度來看，理論上用滿其垂直的動態(tài)范圍，分辨率就是垂直量程/ 256（28），如果采用12bit ADC的示波器其分辨率為垂直量程/4096(212)。顯而易見，高比特的ADC可以在測試精度上帶來非常大的提升。

現(xiàn)在工程師面臨著很多小信號測試的挑戰(zhàn)，如果您是電源設(shè)計(jì)的工程師，紋波測試非常重要，過去紋波電壓從幾十到一百多mV 到目前只有十幾mV，甚至很多筆記本和手機(jī)上小到幾個(gè)mV 的微小紋波測試。這就對測試用的示波器的分辨率提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC 輕松解決微小信號的測試問題。

還有就是疊加在一個(gè)大的信號上的小信號測試。為測試到完整的信號，需要選擇一個(gè)較大的量程，但是又要保證能測試到微小信號變化，如何能準(zhǔn)確測試呢？歸根結(jié)底還是考驗(yàn)示波器垂直分辨率的指標(biāo)，請參考圖2 就非常清晰顯示了其測試效果的對比。

圖2. 不同位數(shù)ADC 示波器測試小信號對比

2、示波器前端放大器

示波器信號接入第一部分就是前端放大器，它非常重要。前端放大器是專為微小信號測試而設(shè)計(jì)的，可以使測試設(shè)備有更廣泛的應(yīng)用。但是前端放大器在放大有用信號的同時(shí)也將噪聲放大，理想的情況是選用噪聲系數(shù)較小的前置放大器。示波器可檢測的最小信號也主要取決于前置放大器的噪聲。在泰克全新一代示波器提升了前端放大器的硬件性能，本底噪聲降低30%，從而提升了小信號的測試精度。具體的請參考圖3。

圖3. 泰克新MDO3系示波器和傳統(tǒng)示波器本底噪聲對比

3、示波器采集模式

在泰克示波器中，“采集模式”一詞指波形數(shù)據(jù)的原始表示，通常是8 位分辨率。所有后續(xù)處理操作( 顯示、自動測量、光標(biāo)、數(shù)學(xué)和應(yīng)用) 都基于采集模式定義的信號數(shù)據(jù)表示。大多數(shù)示波器中默認(rèn)的采集模式是采樣模式。這是最簡單的采集模式，在這種模式下，普通示波器以選擇的采樣率（直到最大采樣率）用8 位量值表示波形上的每個(gè)點(diǎn)。

在測量低壓小信號時(shí)，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復(fù)性而定，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕砀纳茰y量分辨率：平均模式和HiRes 模式。下面幾節(jié)詳細(xì)介紹了這兩種模式。

①平均模式

平均模式是示波器采集系統(tǒng)中基本降噪的信號處理技術(shù)之一。通過使用兩次或兩次以上采集的數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用逐點(diǎn)平均的方法，形成輸出波形。平均模式改善了信噪比，降低了與觸發(fā)無關(guān)的噪聲，提高了垂直分辨率，可以更簡便地觀察重復(fù)信號。

計(jì)算平均波形的傳統(tǒng)方法是先簡單地加總所有采集中的對應(yīng)樣點(diǎn)，然后除以采集次數(shù)。但是，這種方法要一直等到采集了所需的全部N 個(gè)波形之后，才能顯示平均值。耽誤的時(shí)間對大部分用戶是不可接受的，采集數(shù)據(jù)量會迅速超出示波器的內(nèi)存容量。

AN = (1 / N) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1)

其中：AN 是平均模式的采集的點(diǎn)

N 表示請求的平均總數(shù)

xn 是n 次采集的點(diǎn)

n 表示采集次數(shù)

當(dāng)然可以修改傳統(tǒng)的平均算法，每次在采集另一個(gè)波形時(shí)立即顯示結(jié)果，解決顯示平均后的波形所延誤時(shí)間的問題。但是，數(shù)據(jù)存儲問題依舊沒有得到解決。穩(wěn)定的平均算法為：

an = (1 / n) * (x0 + x1 + x2 + … + xn-1)

其中：an 是當(dāng)前平均采集的點(diǎn)

xn 是新采集n 個(gè)的點(diǎn)

n 表示采集次數(shù)

注意，為了得到具體N 次采集的加總平均值，只需把示波器置入Single Sequence ( 單次序列) 模式。在這種模式下，在n 到達(dá)N 時(shí)，采集會停止，平均的波形中包含著具體N 個(gè)采集的波形。

泰克示波器采用指數(shù)平均算法，可以在每次采集后立即更新和顯示波形，這大大降低了要求的存儲容量。指數(shù)平均模式采用下面的公式，從新采集xn 和之前平均波形an-1 中得到新的平均的波形an：

an = an-1 + (1/p)*(xn - an-1) = an-1 * ((p - 1) / p) + (xn / p)

其中：n 表示采集次數(shù)

N 表示請求的平均總數(shù)

an 是平均的采集中新的點(diǎn)

an-1 是過去平均的采集中的點(diǎn)

xn 是新采集的點(diǎn)

p 是平均因數(shù)

如果(n

這兩種算法都可以立即顯示波形中一致的趨勢效應(yīng)。您可以在低速信號中看到這一點(diǎn)。如果信號是穩(wěn)定的，那么您會看到前N 次采集中噪聲連續(xù)下降。在N 次采集后，信號仍將變化，但整體降噪或垂直分辨率不再有改觀。平均功能提高了信號的垂直分辨率，對于周期穩(wěn)定的波形非常有效。對于周期及幅值都變化的波形如何提高測試精度呢？請看下面的方法。

圖4. 平均模式在多次采集中計(jì)算每個(gè)記錄點(diǎn)的平均值

②高分辨率模式

HiRes 模式是泰克已獲專利的采集方式，它計(jì)算并顯示每個(gè)采樣間隔中所有順序樣點(diǎn)值的平均值。這種模式提供了一種方法，用過采樣獲得與波形有關(guān)的進(jìn)一步信息。在HiRes 模式下，通過獲得進(jìn)一步水平采樣信息，可以提供更高的垂直分辨率，降低帶寬和噪聲。HiRes 處理在定制硬件中完成，以最大限度地提高速度。HiRes 模式較平均模式的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，是即使單次采集也可以使用HiRes 模式。

圖5. HiRes采集模式計(jì)算每個(gè)采集間隔中

所有樣點(diǎn)的平均值

帶寬限制及由于HiRes 導(dǎo)致的垂直分辨率提高程度會隨著儀器的最大采樣率和實(shí)際選擇的采樣率而變化。實(shí)際采樣率一般顯示在屏幕底部附近，最大采樣率可以參見產(chǎn)品技術(shù)資料。垂直分辨率位數(shù)為：

垂直位數(shù)= 8 + 0.5 log2 * (D)

其中：D 是壓縮比或最大采樣率/ 實(shí)際采樣率得到的-3

dB 帶寬( 除非受到測量系統(tǒng)模擬帶寬的進(jìn)一步限制) 是:

BW = 0.44 * SR

其中：SR 是實(shí)際采樣率

在許多泰克示波器中，平均算法是在硬件中實(shí)現(xiàn)的，采用固定點(diǎn)運(yùn)算，得到大約16 位的最大分辨率。觀察到的分辨率改善程度略低，會隨著應(yīng)用變化，但這種信號處理技術(shù)對許多應(yīng)用尤其有效。

對于硬件12bit ADC 示波器高分辨率模式效果更佳突出，詳細(xì)信息請參考表1。

表1. 泰克MDO3 系示波器5 GS/s 示波器中

由于HiRes 增強(qiáng)的垂直分辨率對應(yīng)表

High Res 模式是一種全新的泰克已獲得專利的采集模式，它會產(chǎn)生非常高的垂直分辨率。在高層次上，它與以前的技術(shù)類似，它會用降低定時(shí)分辨率的方式，來改善垂直分辨率，這通過計(jì)算及顯示多個(gè)順序樣點(diǎn)的波形串平均值來實(shí)現(xiàn)。除波形串平均技術(shù)本身會發(fā)生低通濾波外，它還對信號應(yīng)用一個(gè)唯一的FIR 平滑濾波器，對頻響進(jìn)行整形，優(yōu)化垂直分辨率。

與以前的技術(shù)不同，4 系列5 系列MSO 先從12 位6.25 GS/s ADC 輸出入手，在ASIC 上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)。

另外，為改善用戶體驗(yàn)，采集標(biāo)志會顯示分辨率位數(shù)，活動通道的垂直標(biāo)志表明-3 dB 帶寬。4 系列5 系列MSO 中的High Res 采集模式提供了表2所示的性能。注意示波器通道和任意相連探頭提出的模擬帶寬限制會進(jìn)一步降低表2 所示的帶寬。

表2. MSO4 和MSO5 系列示波器加強(qiáng)型高分辨率模式對照表

4、示波器的采樣率

對于當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)調(diào)試來說，混合信號已經(jīng)非常普遍，最近幾年數(shù)字信號的速度越來越快，工程師對數(shù)字信號處理能力要求越來越高，很多工程師糾結(jié)是不是購買專用的邏輯分析儀來進(jìn)行高速數(shù)字信號處理。這里有個(gè)問題，市面上很多的示波器都名字為混合信號示波器MSO, 為什么不能用這類儀器來數(shù)字信號處理呢？

我們來確認(rèn)下這個(gè)問題，當(dāng)前市面上的MSO 確實(shí)有數(shù)字信號處理能力，可以選配16 路數(shù)字信號采集，也具有一定的分析功能，但是仔細(xì)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)其數(shù)字信號采樣能力有很大的限制。一般一臺示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s，而其數(shù)字通道的采樣率只有200MS/s，市面上最高數(shù)字采樣率到500MS/s。大家都知道采樣率對信號還原，尤其對偶發(fā)異常信號捕獲的重要性，所以就目前的市面的MSO 系列混合信號示波器來說，會對測試的結(jié)果存在疑慮。

泰克新一代示波器MSO4/MSO5 系列示波器基于泰克全新的TEK049 平臺打造，大大提升了其信號采集及處理速度，每條模擬及數(shù)字通道都可以設(shè)定高達(dá)6.25GS/s 采樣率。讓我們來看看新一代示波器MSO4/MSO5 和傳統(tǒng)混合信號示波器的測試對比。

由圖6 可以看出，對于現(xiàn)在越來越快的數(shù)字信號調(diào)試，需要更高的采樣速率捕獲數(shù)字信號細(xì)節(jié)，如果采樣率不夠就如圖7 所示會丟失信號的細(xì)節(jié)，甚至還會顯示完全錯誤的信息。

圖6. 不同采樣速率對數(shù)字信號細(xì)節(jié)還原對比

5、探頭的選擇與設(shè)置至關(guān)重要

探頭的作用至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)測量的最優(yōu)結(jié)果，必須進(jìn)行折衷，特別是在進(jìn)行高精度測量時(shí)。有時(shí)示波器標(biāo)配的無源探頭并不是實(shí)現(xiàn)最佳精度的解決方案。

（1）選擇適當(dāng)衰減比的探頭

最大限度地降低衰減，使信噪比達(dá)到最優(yōu)。在精確測量中，非常重要的一點(diǎn)是使信號幅度達(dá)到最大，同時(shí)使外部噪聲達(dá)到最小。探頭選擇是關(guān)鍵的第一步。電壓探頭與示波器的輸入阻抗構(gòu)成電壓分路器（如1X、10X、100X），會衰減輸入信號。1X 探頭不會降低或衰減信號，10X 探頭則會把輸入信號降低到原始信號幅度的1/10。示波器通過放大信號來補(bǔ)償這種衰減，遺憾的是，示波器也會放大探頭引入的任何噪聲。從信噪比角度來看，最優(yōu)探頭應(yīng)該沒有衰減或衰減很低的。

圖7 可以看到一個(gè)40MHz 的數(shù)字信號，其中偶發(fā)一個(gè)非常小的干擾信號會導(dǎo)致有2nS 的快速脈沖，數(shù)字采樣率直接導(dǎo)致設(shè)定觸發(fā)條件的極限，如果是500MS/s 最快的脈沖觸發(fā)只能設(shè)定在4ns, 但是泰克新一代示波器MSO4/MSO5 數(shù)字信號的時(shí)間分辨率提高了12 倍，輕松準(zhǔn)確的捕獲高速的數(shù)字信號。

圖7. MSO4/5 數(shù)字信號時(shí)間分辨率

（2）使用短地線

最大限度地降低噪聲耦合。所有電壓測量都是相對于參考源進(jìn)行的，這個(gè)參考源通常是“接地”。準(zhǔn)確的測量，特別是低壓測量，尤其依賴到參考電壓的低阻抗路徑。為使信號失真和引入噪聲達(dá)到最小，使用的接地線應(yīng)盡量短。盡管標(biāo)準(zhǔn)無源探頭上的長地線會方便連接信號，但地線電感會與輸入電容諧振，在快速邊沿上導(dǎo)致振鈴。由探頭尖端和地線構(gòu)成的大環(huán)路面積會把噪聲磁耦合到信號中。此外，地線的感性電抗與開關(guān)器件等噪聲源接近，會把噪聲耦合到信號中。最好的解決方案是最大限度地縮短地線長度，并盡可能接近信號端，把它連接到參考點(diǎn)上（如果條件允許建議使用接地彈簧）。

（3）使用探頭的硬件濾波

當(dāng)選擇某些有源探頭時(shí)可以選擇性使用內(nèi)置探頭濾波器降低噪聲。許多有源差分電壓探頭或電流探頭標(biāo)配帶寬濾波功能。有時(shí)為靈活起見，探頭機(jī)身內(nèi)置的帶寬濾波功能提供了多種帶寬設(shè)置。在某些情況下，在選擇其中一個(gè)帶寬濾波器時(shí)，探頭會與示波器通信，另外還會在示波器前端打開硬件濾波功能。這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)噪聲，有助于提高系統(tǒng)的信噪比。濾掉不想要的噪聲可以查看進(jìn)一步細(xì)節(jié)，獲得更高的測量分辨率。

（4）使用探頭的DC 偏置來測試小的AC 信號

在涉及大電壓時(shí)，人身安全及設(shè)備可靠性至關(guān)重要，以便檢驗(yàn)最大電壓完全落在測試系統(tǒng)的“絕對”或“非破壞”最大輸入指標(biāo)內(nèi)。此外，為準(zhǔn)確測量，非常重要的一點(diǎn)是信號要保持在標(biāo)稱工作范圍內(nèi)（如有源探頭的線性范圍或動態(tài)范圍內(nèi)）

如果說接近地電平的小信號測量極具挑戰(zhàn)性，那么測量位于大DC 電壓信號上的低壓AC 信號的難度則要大得多。在電源上進(jìn)行紋波測量是這種應(yīng)用的常見實(shí)例。進(jìn)行DC 偏置可能會涉及探頭設(shè)置以及示波器前端設(shè)置。在DC 偏置上測量低電壓信號最簡單的技術(shù)是使用參考地電平的探頭采集整個(gè)信號，然后測量AC 分量 ( 圖8 下圖)。DC 偏置技術(shù)不允許AC 信號測量全面利用測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，信噪比會很差。

圖8.左側(cè)AC+DC 信號。右側(cè)去掉了DC 分量

成比例縮放AC 分量，以改善分辨率

隨著電力電子技術(shù)，新材料及器件技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)今工程師面臨著，更快，更小，更復(fù)雜信號的調(diào)試挑戰(zhàn)。更加準(zhǔn)確的測試不僅僅體現(xiàn)在測試設(shè)備本身的硬件指標(biāo)，還要考慮整體的測試系統(tǒng)的性能。泰克新一代示波器MSO4/MSO5/MSO6 采用全新的前端放大器以及泰克最新的TEK049 平臺打造，提供無與倫比的測試性能，尤其在精度方面大大提升。一個(gè)高精度的示波器測試系統(tǒng)要從信號的整個(gè)環(huán)節(jié)打造，從信號的接入，前端放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析。泰克專注示波器70 多年，追求卓越，打造經(jīng)典，不斷創(chuàng)新是我們作為工程師人的一貫理念。