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指標(biāo)，這也決定了工程師對測試結(jié)果的信心。基于示波器的設(shè)計原理，它具有非常高的采樣速率，時間精度可以保證，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，您可以把數(shù)字示波器看成一個測試系統(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、濾波技術(shù)及整個系統(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 所示的每個系統(tǒng)單元都會影響測量精度，可以進(jìn)行優(yōu)化，以實現(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)，但是因為ADC 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點。

在測量低壓小信號時，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復(fù)性而定，因為它們可以用來改善測量分辨率：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)點采用逐點平均的方法，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，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 個波形之后，才能顯示平均值。耽誤的時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

N 表示請求的平均總數(shù)

xn 是n 次采集的點

n 表示采集次數(shù)

當(dāng)然可以修改傳統(tǒng)的平均算法，每次在采集另一個波形時立即顯示結(jié)果，解決顯示平均后的波形所延誤時間的問題。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

xn 是新采集n 個的點

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，采集會停止，平均的波形中包含著具體N 個采集的波形。

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

an-1 是過去平均的采集中的點

xn 是新采集的點

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。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算每個記錄點的平均值

②高分辨率模式

HiRes 模式是泰克已獲專利的采集方式，它計算并顯示每個采樣間隔中所有順序樣點值的平均值。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采集模式計算每個采集間隔中

所有樣點的平均值

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際選擇的采樣率而變化。實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 是實際采樣率

在許多泰克示波器中，平均算法是在硬件中實現(xiàn)的，采用固定點運(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，它會用降低定時分辨率的方式，來改善垂直分辨率，這通過計算及顯示多個順序樣點的波形串平均值來實現(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 上實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)。

另外，為改善用戶體驗，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)下這個問題，當(dāng)前市面上的MSO 確實有數(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。有時示波器標(biāo)配的無源探頭并不是實現(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，非常重要的一點是使信號幅度達(dá)到最大，同時使外部噪聲達(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40MHz 的數(shù)字信號，其中偶發(fā)一個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，在選擇其中一個帶寬濾波器時，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，人身安全及設(shè)備可靠性至關(guān)重要，以便檢驗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。一個高精度的示波器測試系統(tǒng)要從信號的整個環(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。