示波器 小信號測量
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1 引言
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經(jīng)常會遇到測量小信號的應(yīng)用，其中zui關(guān)心的可能就是測量精度問題，那么如何才能進(jìn)行的小信號測量，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穩(wěn)定的觸發(fā)，尤其是對于小信號。因為在信噪比小的時候噪聲或干擾較大，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zui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就是垂直區(qū)域的旋鈕，可能大家對于這個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。*，進(jìn)行波形測量時需要調(diào)整垂直旋鈕，使波形盡量占滿示波器整個顯示柵格。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時測量結(jié)果的量化誤差肯定會比1mV/div時大一倍。因此，在進(jìn)行小信號測量時，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zui小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由于各個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。
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，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。
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?？梢钥闯觯?/span>1mV/div靈敏度是，4GHz示波器帶寬不受任何限制。那么R&S示波器到底能測多小的信號呢，我們做了如圖7所示實驗，可以看出在信號Amplitude值小至約40μV時，R&S示波器同樣能夠輕松測量。那能不能測更小的信號呢，感興趣的讀者可以繼續(xù)嘗試：）
圖6 全帶寬下1mV/div
圖7 小信號測試（約40μV ?。。。?/span>
2.2 本底噪聲
提到測量精度，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因素，特別是對于小信號測量。舉個例子：如果示波器本底噪聲過大，淹沒了小信號，那此時即使用再高位數(shù)ADC的示波器，量化誤差再小也是測量不到信號的，因為在輸入ADC之前的模擬前端，信號就已經(jīng)“消失”在本底噪聲之中了。所以，對于信號的測量精度，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)計影響。的模擬前端設(shè)計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
R&S公司的示波器模擬前端均由具有多年工作經(jīng)驗的德國射頻專家設(shè)計，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位示波器分別在時域和頻域做了比較。
時域方面，兩臺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量該微弱信號。而某廠家的示波器雖然為12位ADC，但由于信號淹沒于噪聲當(dāng)中，對該信號無法進(jìn)行測量。大家有興趣可以做相關(guān)對比實驗。
圖10 RTO測試-110dBm信號
