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用高分辨率示波器测量微小信号 示波器技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
谈及分辨率,人们最容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标,一般用水平和垂直方向的像素点个数或者DPI(每英寸点数)来表示。显然,高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器,工程师极少谈及它的分辨率,谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率,更准确地说是垂直分辨率,也就是模数转换器(ADC)的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8位,故而极少提及垂直分辨率。

实时示波器由于采样率高,ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求,美国力科公司研发了新型的实时示波器WaveRunner HRO 6Zi,简称HRO(高分辨率示波器)。其ADC位数达12位,同时具备较高的采样率-2GS/s。存储深度(记录长度)可以达到每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然,它也具备示波器所擅长的测量、分析和调试功能,其易用性更好。

ADC位数对垂直分辨率有多大影响?我们来看图1,这是用8位示波器和12位示波器分别对同一个信号采集后,对其中部分波形放大显示的结果。


图1:8位示波器和12位示波器捕获波形对比

从图中可以看出8位示波器采集的波形出现台阶状现象,这是因为信号的微小变化和ADC的量化误差相当,信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师在使用示波器时并没有注意到这个现象。这好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机,站在5米外观看可能看不出差别,靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节,也就有类似的效果。

垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方,一台高分辨率的电视机,如果它内部电路的噪声很大,导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理,示波器ADC能够分辨的最小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢?有的示波器厂家喜欢采用基底噪声:示波器不输入信号,测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号,示波器内部电路的工作状态可能差别很大。图2是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图,并分别对时域波形做FFT,观察频域。在没有信号输入时,频域噪底比较平坦;而输入正弦波后,除了信号基频和谐波分量以外,出现了不少杂散,而且噪底的形状也不再平坦。因此,基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。


图2:示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图

更科学的指标是信号与噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SINAD),以及有效位数(ENOB)。SINAD的测量需要输入一定频率、一定幅度的高信噪比正弦波给示波器,计算信号功率和噪声失真功率之比。ENOB在数学上可以通过SINAD计算得到。SINAD、ENOB与输入信号频率、幅度的大小以及示波器的工作状态都有关。

力科HRO不仅ADC位数比其他实时示波器高,也有极低的噪声水平。其典型的信噪比为55dB,而8位示波器一般只有35~40dB。图3是将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器,转化到频域观察的图形。两者频域的垂直刻度和基准都一样。从图中可以看出,12位示波器的频域噪底比8位示波器低大约10dB。


图3:将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器,转化到频域观察

我们来看一个实际的测试案例:需要对某开关电源产品中的功率MOS管进行分析。其中有一个测试项是MOS管导通损耗。分别用电压和电流探头测量漏源电压Vds与漏极电流Ids,在示波器上将两个波形相乘得到功率波形,导通期间的功率就是导通损耗。由于在导通期间,Vds与Ids的值都很小,和8位示波器的量化误差相当。可以将Vds波形导通时的波形放大观察,同样也会出现前文提到的台阶状现象(图4)。


图4:将Vds波形导通时的波形放大观察

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试,8位示波器测量的导通损耗是1.5W,HRO测量的导通损耗是688mW(图5)。


图5:8位示波器与HRO测量的导通损耗对比

使用低分辨率示波器的工程师,也许会花费很多精力物力去降低导通损耗,殊不知测量结果主要是量化误差。

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试,8bit示波器测量的导通损耗是1.5W,HRO测量的导通损耗是688mW :

使用低分辨率示波器的工程师,也许花费很多精力物力去降低导通损耗,殊不知测量结果主要是量化误差。

总结:

力科HRO示波器的高分辨率特性,使其特别适合测量和分析微小变化的信号,如高精度传感器和执行器;心电、脑电等微弱生理信号;电源噪声和纹波;无线中频信号等等。
  示波器辉度控制不正常的维修电子示波器在使用过程中,经常会出现"辉度"控制不正常的故障现象,即调节"辉度"控制旋钮,示波管屏幕上显示波形的辉度很亮,不能调暗,或者波形的辉度暗淡,不能调亮;基至显示不出波形,即无法调亮。根据电子示波器的基本电路结构可知,产生辉度控制不正常的故障原因有两个方面,一种是示波器本身有问题,另一种是示波器的高压电路有问题,兹分述其检修方法与步骤如下:
  
  (1)如果示波管内部的真空度下降,即存在轻微的漏气问题,则管内的空气会被快速运动的电子束电流所电离,从而大大增强第三阳极(A3)的电流,导致显示的波形无法调暗。或者由于示波管的栅极管座焊片接触不良而发生断路,此时电子束电流zui强,并且不受控,导致显示的波形无法调暗。两者情况的区别是,前者在整个屏幕范围会呈现"散光"现象,而后者只受"聚焦"控制的作用。检修时,对于前者可采用"器件替代法"加以确定;对于后者可在示波器通电的情况下,采用"测量电阻法"检测示波管的栅极管脚和管座上相应焊片之间的通路电阻加以判断,并进行必要的修整。
  
  (2)如果示波管的阴极发射能力下降了,即存在衰老问题,则管内的电子束电流变弱,导致显示波形的辉度暗淡而不能调亮,基至显示不出波形来。检修时可采用"改变现状法",即设法提高示波管灯丝的供电压(7-8V),或者短路示波管阴极串联电阻(RK),以便增大电子束电流,使显示波形的辉度有所改善。但归根结底还是要更新示波管才能根本解决问题。
  
  (3)示波管的高压电路是指供应示波管各电极用的正、负直流高压电源,以及相应的分压电路。如图示出普通示波管的高压电路原理图。这里R1、W、R2、R3等组成"-1500V"直流高压电源的分压电路。调节电位器W1的活动特点,可使示波管的栅极G对阴极K之间的电位差,在"-10V"至"-100V"范围内变化。"-10V"工作点相当于"辉度"zui亮;"-30V"工作点相当于"辉度"暗淡;"-40V"至"-100V"工作点相当于暗区。
  
  如果分压电阻R2后边各电阻元件存在变值、虚焊、损坏等问题,即分压电路开断了,使得G-K之间的电位差不能调到暗区,因而出现显示波形不能调暗的故障现象。检修时,可在通电的情况下,采用"测量电压法"和"改变现状法"检测示波管G-K之间的电位差是否正常。即一边调节"辉度控制"电位器W1,一边使用高输入阻抗的直流电子电压表检测G-K之间的电压值。或者在不通电的情况下,采用"测量电阻法"检测各分压元件的阻值与通路情况,以便发现问题。
  
  如果分压电阻R1和W1存在虚焊或损坏等"断路"问题,则示波器管G-K之间的电位差将大大超过"-100V",导致无波显示的故障现象,检修时,可采用"测量电压法"或"测量电阻法"予以确定。如果分压电阻R1变值或者示波管第三阳极A3的插帽脱落,将会出现显示波形暗淡并无法调亮的故障现象。检修时,可采用"不通电观察法"和"测量电阻法"予以确定。
  
  (4)现代的电子示波器大都采用快速高灵度的示波管作为显示器件,它的示波管高压电路如图所示。这里使用"-1100V"和"-1250V"两组负高压,分别作为"辉度"控制和"聚焦"控制的分压电路的直流电源,其目的是为了减少"辉度"控制和"聚焦"控制相互之间对显示波形的影响,以提高示波器工作的稳定性。但是,如果这两组负高压之一的电压值发生变化,或者这两组分压电路中的电阻元件存在变值、虚焊、损坏等问题,都将会导致波形的"辉度"控制不正常。
如何判断示波器的采样率是否足够?

  要了解示波器选择的采样率是否足够,首先要先了解采样过程。采样是将连续模拟信号转换为离散数字信号的过程,采样率就是离散数字信号的采样时间间隔。采样最基本的遵循是奈奎斯特定理。示波器的采样率反映的是示波器能够捕获被测信号细节的分辨程度。采样率越高,单位时间内对被测波形捕获的点数就越多,最后显示的波形就越接近真实被测信号。  根据以上理论,就能清楚的知道,选择示波器的采样率,要明确知道我们所要关注的被测信号的细节达到什么程度,并且结合带宽(信号上升时间)来判断选取示波器的采样率。一般情况下,采样率是带宽的4~5倍就能比较准确的显示波形。某位安捷伦员工提供的资料是:对高斯频响示波器,其采样率应该是带宽的4倍或以上,对最大平坦度频响示波器,其采样率应该是带宽的2.5倍或以上。  另外,并不一定是采样率越高,测量精度越高。这是因为采样率较高的情况下,要做到采样等间距不是件容易的事情,在有些情况下,情况正好相反。

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