如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

2019-11-19来源: elecfans关键字:示波器  测试精度  五大因素

对于测试仪器来说,精度、可靠性、稳定性及功能是非常重要的几个指标,这也决定了工程师对测试结果的信心。基于示波器的设计原理,它具有非常高的采样速率,时间精度可以保证,但很多工程师却忽略了其幅度的测试精度。


随着电力电子技术的发展,低功耗器件的大量应用以及更加严苛的行业标准约束,工程师对测试的精度越来越关注,开始不满足于市面上示波器幅度测试的分辨率和精度了。


对于示波器这种测试仪器,如何选择和设定可以获得最优的测试精度呢?

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图1. 示波器测试系统示意图

在进行测量时,您可以把数字示波器看成一个测试系统,来改善测量结果(参照图1)。在对示波器工作模式、探头特点、滤波技术及整个系统交互方式有了基本了解之后,您可以改善小信号的测量效果。


为实现高精度测量,必须考虑整条信号路径,从探头尖端,到示波器的模拟前端、采样和数字信号处理。如图1所示的每个系统单元都会影响测量精度,可以进行优化,以实现最佳结果。

影响示波器测试精度的五大因素

示波器模数转换器ADC位数

为提高测试精度最理想的方式是提高示波器ADC位数,但是因为ADC采样率和垂直分辨率性能的互相制约,目前市面上常见的示波器是采用8bit ADC。我们换个角度来看,理论上用满其垂直的动态范围,分辨率就是垂直量程/ 256(2^8),如果采用12bit ADC的示波器其分辨率为垂直量程/4096(2^12)。显而易见,高比特的ADC可以在测试精度上带来非常大的提升。


现在工程师面临着很多小信号测试的挑战,如果您是电源设计的工程师,纹波测试非常重要,过去纹波电压从几十到一百多mV到目前只有十几mV,甚至很多笔记本和手机上小到几个mV的微小纹波测试。这就对测试用的示波器的分辨率提出严峻的挑战,泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC轻松解决微小信号的测试问题。


还有就是叠加在一个大的信号上的小信号测试。为测试到完整的信号,需要选择一个较大的量程,但是又要保证能测试到微小信号变化,如何能准确测试呢?归根结底还是考验示波器垂直分辨率的指标,请参考图2就非常清晰显示了其测试效果的对比。↘↘↘

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图2. 不同位数ADC示波器测试小信号对比

泰克公司新4系,5系,6系示波器采用硬件12bit ADC倾力打造无与伦比的垂直分辨率,帮助您准确捕获微小信号。

示波器前端放大器

示波器信号接入第一部分就是前端放大器,它非常重要。前端放大器是专为微小信号测试而设计的,可以使测试设备有更广泛的应用。但是前端放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大,理想的情况是选用噪声系数较小的前置放大器。示波器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。


在泰克全新一代示波器提升了前端放大器的硬件性能,本底噪声降低30%,从而提升了小信号的测试精度。具体的请参考图3:

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图3. 泰克新MDO3系示波器和传统示波器本底噪声对比

示波器采集模式

在泰克示波器中,“采集模式”一词指波形数据的原始表示,通常是8位分辨率。所有后续处理操作( 显示、自动测量、光标、数学和应用) 都基于采集模式定义的信号数据表示。大多数示波器中默认的采集模式是采样模式。这是最简单的采集模式,在这种模式下,普通示波器以选择的采样率(直到最大采样率)用8位量值表示波形上的每个点。


在测量低压小信号时,有两种采集模式非常重要,具体视波形的可重复性而定,因为它们可以用来改善测量分辨率:平均模式和HiRes 模式,下面详细介绍了这两种模式。


① 平均模式。平均模式是示波器采集系统中基本降噪的信号处理技术之一。通过使用两次或两次以上采集的数据,对采集的数据点采用逐点平均的方法,形成输出波形。平均模式改善了信噪比,降低了与触发无关的噪声,提高了垂直分辨率,可以更简便地观察重复信号。


计算平均波形的传统方法是先简单地加总所有采集中的对应样点,然后除以采集次数。但是,这种方法要一直等到采集了所需的全部N个波形之后,才能显示平均值。耽误的时间对大部分用户是不可接受的,采集数据量会迅速超出示波器的内存容量。


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

其中:AN是平均模式的采集的点;N表示请求的平均总数;xn是n次采集的点;n表示采集次数

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图4. 平均模式在多次采集中计算每个记录点的平均值

当然可以修改传统的平均算法,每次在采集另一个波形时立即显示结果,解决显示平均后的波形所延误时间的问题。但是,数据存储问题依旧没有得到解决。稳定的平均算法为:

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

其中:an是当前平均采集的点;xn是新采集n个的点;n表示采集次数

注意,为了得到具体N 次采集的加总平均值,只需把示波器置入Single Sequence ( 单次序列) 模式。在这种模式下,在n到达N时,采集会停止,平均的波形中包含着具体N 个采集的波形。


泰克示波器采用指数平均算法,可以在每次采集后立即更新和显示波形,这大大降低了要求的存储容量。指数平均模式采用下面的公式,从新采集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表示采集次数;N表示请求的平均总数;an是平均的采集中新的点;an-1是过去平均的采集中的点;xn是新采集的点;p是平均因数


如果(n《N),那么p = n,否则p = N得到的平均后的波形相同,与使用哪种平均算法无关。但要注意,不管是采集的波形还是平均的波形,指数平均算法的效率都要高得多。

这两种算法都可以立即显示波形中一致的趋势效应。您可以在低速信号中看到这一点。如果信号是稳定的,那么您会看到前N 次采集中噪声连续下降。在N 次采集后,信号仍将变化,但整体降噪或垂直分辨率不再有改观。平均功能提高了信号的垂直分辨率,对于周期稳定的波形非常有效。对于周期及幅值都变化的波形如何提高测试精度呢?请看下面的方法。

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图5. HiRes 采集模式计算每个采集间隔中所有样点的平均值

② 高分辨率模式。

HiRes模式是泰克已获专利的采集方式,它计算并显示每个采样间隔中所有顺序样点值的平均值。这种模式提供了一种方法,用过采样获得与波形有关的进一步信息。在HiRes模式下,通过获得进一步水平采样信息,可以提供更高的垂直分辨率,降低带宽和噪声。HiRes处理在定制硬件中完成,以最大限度地提高速度。HiRes模式较平均模式的一个关键优势,是即使单次采集也可以使用HiRes模式。


带宽限制及由于HiRes导致的垂直分辨率提高程度会随着仪器的最大采样率和实际选择的采样率而变化。实际采样率一般显示在屏幕底部附近,最大采样率可以参见产品技术资料。垂直分辨率位数为:

垂直位数= 8 + 0.5 log2 * (D)

其中:D 是压缩比或最大采样率/ 实际采样率得到的-3 dB 带宽( 除非受到测量系统模拟带宽的进一步限制) 是:

BW = 0.44 * SR

其中:SR 是实际采样率

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

表1. 泰克MDO3系示波器5GS/s示波器打开HiRes增强的垂直分辨率对应表

在许多泰克示波器中,平均算法是在硬件中实现的,采用固定点运算,得到大约16位的最大分辨率。观察到的分辨率改善程度略低,会随着应用变化,但这种信号处理技术对许多应用尤其有效。


对于硬件12bit ADC示波器高分辨率模式效果更佳突出,详细信息请参考下表:

High Res模式是一种全新的泰克已获得专利的采集模式,它会产生非常高的垂直分辨率。在高层次上,它与以前的技术类似,它会用降低定时分辨率的方式,来改善垂直分辨率,这通过计算及显示多个顺序样点的波形串平均值来实现。除波形串平均技术本身会发生低通滤波外,它还对信号应用一个唯一的FIR 平滑滤波器,对频响进行整形,优化垂直分辨率。

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

表2. MSO4和MSO5系列示波器加强型高分辨率模式对照表

与以前的技术不同,4系列5系列MSO先从12位6.25 GS/s ADC输出入手,在ASIC上实现数字信号处理技术。


另外,为改善用户体验,采集标志会显示分辨率位数,输入通道的垂直标志表明-3dB带宽。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连探头设置的模拟带宽限制会进一步降低表2所示的带宽。

如何提高示波器的测试精度?五大因素助您了解!

图6. 应优化所有采集阶段,以实现最佳分辨率和噪声性能

示波器的采样率

对于当今嵌入式系统调试来说,混合信号已经非常普遍,最近几年数字信号的速度越来越快,工程师对数字信号处理能力要求越来越高,很多工程师纠结是不是购买专用的逻辑分析仪来进行高速数字信号处理。这里有个问题,市面上很多的示波器都名字为混合信号示波器MSO, 为什么不能用这类仪器来数字信号处理呢?


我们来确认下这个问题,当前市面上的MSO确实有数字信号处理能力,可以选配16路数字信号采集,也具有一定的分析功能,但是仔细确认发现其数字信号采样能力有很大的限制

[1] [2]
关键字:示波器  测试精度  五大因素 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic480425.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:通俗易懂的无源滤波器的时域和频域特性
下一篇:ADC的有效位指标以及示波器系统的有效位

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

示波器的探头校准方法
在示波器的应用场合中,除了有些RF或高速数字的场合用电缆直接测量以外,很多板上的调试工作都是借助探头完成的。探头是示波器测量系统的一部分,很多高带宽的探头都必须是有源探头,有源探头内部的有源放大器的的增益和偏置随着温度或者时间老化可能会有漂移,为了补偿这种漂移,就需要定期对探头进行校准。目前示波器探头的校准方法通常有三种:1、DC增益与偏置校准DC校准是示波器最常用的校准方式,比较校准信号输出(标准的直流电压)与示波器实际测试到的校准信号电压,用于修正探头测试直流电压的增益以及偏置的偏差。DC校准过程是确定线性方程y=mx+b系数m,b的值。探头的DC校准至少需要1年进行1次,更频繁时会几个月甚至每天进行一次。2、AC校准测试
发表于 2019-12-14
示波器的探头校准方法
什么样的示波器适合你?
示波器自从问世以来,它一直是最重要、最常用的电子测试仪器之一。由于电子技术的发展,示波器的能力在不断提升,其性能与价格也五花八门,市场参差不齐。示波器看似简单,但如何选择,也存在许多问题。本文根据多年的经验,结合北京海洋兴业科技有限公司选型指南,从几个方面告知您在选择示波器时应注意的问题:一、了解您需要测试的信号您要知道用示波器观察什么?您要捕捉并观察的信号其典型性能是什么?您的信号是否有复杂的特性?您的信号是重复信号还是单次信号?您要测量的信号过渡过程的带宽,或者上升时间是多大?您打算用何种信号特性来触发短脉冲、脉冲宽度、窄脉冲等?您打算同时显示多少信号?您对测试信号作何种处理?二、选择示波器的核心技术差异:模拟(DRT)、数字
发表于 2019-12-14
什么样的示波器适合你?
模拟示波器可以做什么,模拟示波器原理解析
什么是模拟示波器模拟示波器,采用的是模拟电路(示波管,其基础是电子枪)电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上,屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。工作方式是直接测量信号电压,并且通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。模拟示波器特点模拟示波器天生具备概率显示的特点,由于荧光屏的余辉暂留,不同概率出现的波形事件会以不同亮度出现在屏幕上,但由于波形的再现过程无法停止,某些偶然出现的单次事件因不具备一定的持续性而无法显示。概率显示是一个很有用的功能,比如某个波形上一个不是每次都出现的毛刺,如果用DSO,则这个毛刺的显示会不停的抖动,如果你暂停显示,则可能没有毛刺,也可能有毛刺
发表于 2019-12-14
模拟示波器可以做什么,模拟示波器原理解析
简单介绍四种常见的示波器探头
示波器是大家再熟悉不过的测试仪器了,但示波器不搭配探头是没有办法来做测试的,示波器探头的确是示波器大家族中不可缺少的成员。探头的性能会对最终的测试结果产生直接的影响。常见的示波器探头有四种:无源探头、有源探头、差分探头和电流探头。下面我们来跟大家做一些简单介绍。一、无源探头衰减无源电压探头是最常用的探头,常见的无源探头带宽都在500MHz以下,大部分的中低端示波器都会标配两支或者四支无源探头。它是一种非常方便、价格相对便宜的探头。高压探头和传输线探头也是属于无源探头的范畴。二、有源探头有源探头输入阻抗高,带宽也可以做到很高。有源探头的不利条件是成本高,尺寸大,也需要电源进行供电。三、差分探头差分探头分为有源差分探头和高
发表于 2019-12-14
简单介绍四种常见的示波器探头
模拟示波器怎么看频率,模拟示波器频率计算
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象的变化过程。模拟示波器与数字示波器是现在使用最广泛的两种示波器,今天我们便来了解模拟示波器的一些简单的用法模拟示波器作用1、可以测量直流信号、交流信号的电压幅度2、可以测量交流信号的周期,并以此换算出交流信号的频率。3、可显示交流信号的波形。4、可以用两个通道分别进行信号测量。5、可以在屏幕上同时显示两个信号的波形,即双踪测量功能。此功能能够测量两个信号之间的 相位差,和波形之间形状的差别。模拟示波器怎么看频率模拟示波器能直接读出的是幅度(峰峰值,相当于幅值的2倍)和周期,频率是根据周期的倒数计算出来的。示波器上有很多正方形的
发表于 2019-12-14
模拟示波器怎么看频率,模拟示波器频率计算
自制示波器探头
  示波器探头制作方法  一、笔杆改造方法  活动铅笔可以在文具店选购塑料笔杆的一种。改造前的笔杆外形和改造后的探头外形如图1和图2所示,改造方法如下:  (1)拔掉笔芯控制钮8,清除笔内铅芯。  (2)从笔头锥形套4上拔掉金属铅芯导管5。  (3)将内套管2取出,按图1中的位置锯断外套管1,留下有用部分见图3。  (4)在内套管2距前端25mm处钻一个2.5mm的孔(如图3所示),以便地线从此孔引出。  (5)笔头锥形套4的前端锉一个0.8mm深的凹槽,以便测试时钩住导线并使之嵌入凹槽中,以防止滑动。    二、电缆加工及连接方法  (1)取一段1m长、外径为3.5mm的75Ω视频电缆,芯线最好为单股直径为0.4mm的铜线
发表于 2019-12-14
自制示波器探头
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved