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用高分辨率示波器測(cè)量微小信號(hào) 示波器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
談及分辨率,人們最容易想到的是圖像分辨率。買電視、顯示器、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)的時(shí)候都會(huì)考慮這個(gè)指標(biāo),一般用水平和垂直方向的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)或者DPI(每英寸點(diǎn)數(shù))來表示。顯然,高分辨率圖像更能清楚展示細(xì)節(jié)。而對(duì)于數(shù)字示波器,工程師極少談及它的分辨率,談得更多的是帶寬、采樣率等指標(biāo)。示波器也有分辨率,更準(zhǔn)確地說是垂直分辨率,也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量化位數(shù)。一般各個(gè)廠家生產(chǎn)的實(shí)時(shí)示波器ADC位數(shù)都為8位,故而極少提及垂直分辨率。

實(shí)時(shí)示波器由于采樣率高,ADC位數(shù)很難提高。在需要高分辨率測(cè)量的場(chǎng)合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。為滿足高分辨率的測(cè)試需求,美國(guó)力科公司研發(fā)了新型的實(shí)時(shí)示波器WaveRunner HRO 6Zi,簡(jiǎn)稱HRO(高分辨率示波器)。其ADC位數(shù)達(dá)12位,同時(shí)具備較高的采樣率-2GS/s。存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)可以達(dá)到每通道256M采樣點(diǎn)。HRO示波器高分辨率、高采樣率和長(zhǎng)存儲(chǔ)特性使其在多數(shù)測(cè)試場(chǎng)合中都能替代數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然,它也具備示波器所擅長(zhǎng)的測(cè)量、分析和調(diào)試功能,其易用性更好。

ADC位數(shù)對(duì)垂直分辨率有多大影響?我們來看圖1,這是用8位示波器和12位示波器分別對(duì)同一個(gè)信號(hào)采集后,對(duì)其中部分波形放大顯示的結(jié)果。


圖1:8位示波器和12位示波器捕獲波形對(duì)比

從圖中可以看出8位示波器采集的波形出現(xiàn)臺(tái)階狀現(xiàn)象,這是因?yàn)樾盘?hào)的微小變化和ADC的量化誤差相當(dāng),信號(hào)的微小變化淹沒在了量化噪聲中??赡芎芏喙こ處熢谑褂檬静ㄆ鲿r(shí)并沒有注意到這個(gè)現(xiàn)象。這好比兩臺(tái)尺寸相同、分辨率不一樣的電視機(jī),站在5米外觀看可能看不出差別,靠近了觀察就能發(fā)現(xiàn)低分辨率電視機(jī)的像素點(diǎn)更粗、馬賽克現(xiàn)象更明顯。那么把示波器捕獲的信號(hào)放大、觀察細(xì)節(jié),也就有類似的效果。

垂直分辨率還和示波器本身的噪聲和失真水平有關(guān)。打個(gè)比方,一臺(tái)高分辨率的電視機(jī),如果它內(nèi)部電路的噪聲很大,導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)很多雪花點(diǎn)。即便是高清片源也會(huì)被這些雪花點(diǎn)給模糊了。同樣道理,示波器ADC能夠分辨的最小電壓也可能淹沒在示波器的噪聲中。如何評(píng)估示波器的噪聲水平呢?有的示波器廠家喜歡采用基底噪聲:示波器不輸入信號(hào),測(cè)量基線的噪聲大小。這種指標(biāo)只能作為參考。因?yàn)闆]有人使用示波器時(shí)不輸入信號(hào)。有無輸入信號(hào),示波器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)可能差別很大。圖2是某示波器沒有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖,并分別對(duì)時(shí)域波形做FFT,觀察頻域。在沒有信號(hào)輸入時(shí),頻域噪底比較平坦;而輸入正弦波后,除了信號(hào)基頻和諧波分量以外,出現(xiàn)了不少雜散,而且噪底的形狀也不再平坦。因此,基線噪聲不是評(píng)估示波器噪聲水平的合理指標(biāo)。


圖2:示波器沒有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖

更科學(xué)的指標(biāo)是信號(hào)與噪聲失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SINAD),以及有效位數(shù)(ENOB)。SINAD的測(cè)量需要輸入一定頻率、一定幅度的高信噪比正弦波給示波器,計(jì)算信號(hào)功率和噪聲失真功率之比。ENOB在數(shù)學(xué)上可以通過SINAD計(jì)算得到。SINAD、ENOB與輸入信號(hào)頻率、幅度的大小以及示波器的工作狀態(tài)都有關(guān)。

力科HRO不僅ADC位數(shù)比其他實(shí)時(shí)示波器高,也有極低的噪聲水平。其典型的信噪比為55dB,而8位示波器一般只有35~40dB。圖3是將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器,轉(zhuǎn)化到頻域觀察的圖形。兩者頻域的垂直刻度和基準(zhǔn)都一樣。從圖中可以看出,12位示波器的頻域噪底比8位示波器低大約10dB。


圖3:將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器,轉(zhuǎn)化到頻域觀察

我們來看一個(gè)實(shí)際的測(cè)試案例:需要對(duì)某開關(guān)電源產(chǎn)品中的功率MOS管進(jìn)行分析。其中有一個(gè)測(cè)試項(xiàng)是MOS管導(dǎo)通損耗。分別用電壓和電流探頭測(cè)量漏源電壓Vds與漏極電流Ids,在示波器上將兩個(gè)波形相乘得到功率波形,導(dǎo)通期間的功率就是導(dǎo)通損耗。由于在導(dǎo)通期間,Vds與Ids的值都很小,和8位示波器的量化誤差相當(dāng)??梢詫ds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀察,同樣也會(huì)出現(xiàn)前文提到的臺(tái)階狀現(xiàn)象(圖4)。


圖4:將Vds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀察

而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過對(duì)比測(cè)試,8位示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W,HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW(圖5)。


圖5:8位示波器與HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗對(duì)比

使用低分辨率示波器的工程師,也許會(huì)花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗,殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。

而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過對(duì)比測(cè)試,8bit示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W,HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW :

使用低分辨率示波器的工程師,也許花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗,殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。

總結(jié):

力科HRO示波器的高分辨率特性,使其特別適合測(cè)量和分析微小變化的信號(hào),如高精度傳感器和執(zhí)行器;心電、腦電等微弱生理信號(hào);電源噪聲和紋波;無線中頻信號(hào)等等。
  示波器輝度控制不正常的維修電子示波器在使用過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)"輝度"控制不正常的故障現(xiàn)象,即調(diào)節(jié)"輝度"控制旋鈕,示波管屏幕上顯示波形的輝度很亮,不能調(diào)暗,或者波形的輝度暗淡,不能調(diào)亮;基至顯示不出波形,即無法調(diào)亮。根據(jù)電子示波器的基本電路結(jié)構(gòu)可知,產(chǎn)生輝度控制不正常的故障原因有兩個(gè)方面,一種是示波器本身有問題,另一種是示波器的高壓電路有問題,茲分述其檢修方法與步驟如下:
  
 ?。?)如果示波管內(nèi)部的真空度下降,即存在輕微的漏氣問題,則管內(nèi)的空氣會(huì)被快速運(yùn)動(dòng)的電子束電流所電離,從而大大增強(qiáng)第三陽極(A3)的電流,導(dǎo)致顯示的波形無法調(diào)暗?;蛘哂捎谑静ü艿臇艠O管座焊片接觸不良而發(fā)生斷路,此時(shí)電子束電流zui強(qiáng),并且不受控,導(dǎo)致顯示的波形無法調(diào)暗。兩者情況的區(qū)別是,前者在整個(gè)屏幕范圍會(huì)呈現(xiàn)"散光"現(xiàn)象,而后者只受"聚焦"控制的作用。檢修時(shí),對(duì)于前者可采用"器件替代法"加以確定;對(duì)于后者可在示波器通電的情況下,采用"測(cè)量電阻法"檢測(cè)示波管的柵極管腳和管座上相應(yīng)焊片之間的通路電阻加以判斷,并進(jìn)行必要的修整。
  
 ?。?)如果示波管的陰極發(fā)射能力下降了,即存在衰老問題,則管內(nèi)的電子束電流變?nèi)?,?dǎo)致顯示波形的輝度暗淡而不能調(diào)亮,基至顯示不出波形來。檢修時(shí)可采用"改變現(xiàn)狀法",即設(shè)法提高示波管燈絲的供電壓(7-8V),或者短路示波管陰極串聯(lián)電阻(RK),以便增大電子束電流,使顯示波形的輝度有所改善。但歸根結(jié)底還是要更新示波管才能根本解決問題。
  
 ?。?)示波管的高壓電路是指供應(yīng)示波管各電極用的正、負(fù)直流高壓電源,以及相應(yīng)的分壓電路。如圖示出普通示波管的高壓電路原理圖。這里R1、W、R2、R3等組成"-1500V"直流高壓電源的分壓電路。調(diào)節(jié)電位器W1的活動(dòng)特點(diǎn),可使示波管的柵極G對(duì)陰極K之間的電位差,在"-10V"至"-100V"范圍內(nèi)變化。"-10V"工作點(diǎn)相當(dāng)于"輝度"zui亮;"-30V"工作點(diǎn)相當(dāng)于"輝度"暗淡;"-40V"至"-100V"工作點(diǎn)相當(dāng)于暗區(qū)。
  
  如果分壓電阻R2后邊各電阻元件存在變值、虛焊、損壞等問題,即分壓電路開斷了,使得G-K之間的電位差不能調(diào)到暗區(qū),因而出現(xiàn)顯示波形不能調(diào)暗的故障現(xiàn)象。檢修時(shí),可在通電的情況下,采用"測(cè)量電壓法"和"改變現(xiàn)狀法"檢測(cè)示波管G-K之間的電位差是否正常。即一邊調(diào)節(jié)"輝度控制"電位器W1,一邊使用高輸入阻抗的直流電子電壓表檢測(cè)G-K之間的電壓值?;蛘咴诓煌姷那闆r下,采用"測(cè)量電阻法"檢測(cè)各分壓元件的阻值與通路情況,以便發(fā)現(xiàn)問題。
  
  如果分壓電阻R1和W1存在虛焊或損壞等"斷路"問題,則示波器管G-K之間的電位差將大大超過"-100V",導(dǎo)致無波顯示的故障現(xiàn)象,檢修時(shí),可采用"測(cè)量電壓法"或"測(cè)量電阻法"予以確定。如果分壓電阻R1變值或者示波管第三陽極A3的插帽脫落,將會(huì)出現(xiàn)顯示波形暗淡并無法調(diào)亮的故障現(xiàn)象。檢修時(shí),可采用"不通電觀察法"和"測(cè)量電阻法"予以確定。
  
  (4)現(xiàn)代的電子示波器大都采用快速高靈度的示波管作為顯示器件,它的示波管高壓電路如圖所示。這里使用"-1100V"和"-1250V"兩組負(fù)高壓,分別作為"輝度"控制和"聚焦"控制的分壓電路的直流電源,其目的是為了減少"輝度"控制和"聚焦"控制相互之間對(duì)顯示波形的影響,以提高示波器工作的穩(wěn)定性。但是,如果這兩組負(fù)高壓之一的電壓值發(fā)生變化,或者這兩組分壓電路中的電阻元件存在變值、虛焊、損壞等問題,都將會(huì)導(dǎo)致波形的"輝度"控制不正常。
如何判斷示波器的采樣率是否足夠?

  要了解示波器選擇的采樣率是否足夠,首先要先了解采樣過程。采樣是將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的過程,采樣率就是離散數(shù)字信號(hào)的采樣時(shí)間間隔。采樣最基本的遵循是奈奎斯特定理。示波器的采樣率反映的是示波器能夠捕獲被測(cè)信號(hào)細(xì)節(jié)的分辨程度。采樣率越高,單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)波形捕獲的點(diǎn)數(shù)就越多,最后顯示的波形就越接近真實(shí)被測(cè)信號(hào)?! 「鶕?jù)以上理論,就能清楚的知道,選擇示波器的采樣率,要明確知道我們所要關(guān)注的被測(cè)信號(hào)的細(xì)節(jié)達(dá)到什么程度,并且結(jié)合帶寬(信號(hào)上升時(shí)間)來判斷選取示波器的采樣率。一般情況下,采樣率是帶寬的4~5倍就能比較準(zhǔn)確的顯示波形。某位安捷倫員工提供的資料是:對(duì)高斯頻響示波器,其采樣率應(yīng)該是帶寬的4倍或以上,對(duì)最大平坦度頻響示波器,其采樣率應(yīng)該是帶寬的2.5倍或以上?! ×硗?,并不一定是采樣率越高,測(cè)量精度越高。這是因?yàn)椴蓸勇瘦^高的情況下,要做到采樣等間距不是件容易的事情,在有些情況下,情況正好相反。

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示波器 如何判斷示波器的采樣率是否足夠?_示波器

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