改善数字荧光示波器垂直分辨率的N个方法（上）

技术简介
 
在进行高分辨率低压测量时，如果能更好地了解示波器运行模式及探头和示波器的性能特点，那么许多示波器用户都会从中受益。本技术简介描述了泰克数字示波器高分辨率波形采集中采用的部分基础测量和信号处理技术。通过了解这些优势和影响，用户可以更简便地选择及成功运用泰克示波器和探测解决方案。
 
测量系统带宽
进行良好测量的第一步，是选择适当的测量系统。测量系统(包括示波器和探头)必须拥有充足的模拟带宽，以捕获信号中所需的最高频率，包括谐波。一条很好的通用规则是使用的测量系统的带宽至少是要测量的信号带宽的五倍。例如，如果想测量100 MHz数字时钟信号，那么探头和示波器至少要提供500 MHz的带宽，这可以捕获最有效的谐波，限制波段边缘附近发生的幅度和相位测量误差。
 
在进行低压测量时，应确认正在评估的是相关灵敏度范围内的设备带宽，而不只是产品在最佳情况下的性能。例如，可切换衰减(如1X/10X)探头在10X路径中可能会有非常高的带宽，但在1X路径中的带宽却非常低。类似的，示波器的额定带宽指标可能会以1 mV/div速率下降，甚至不能提供这种灵敏度(或只是提供灵敏度较低设备的垂直缩放)。
 
在测量非正弦曲线信号时，测量系统的上升时间可能是相关度更高的指标。系统的上升时间用示波器的上升时间与探头的上升时间的平方和的平方根计算得出。一条很好的通用规则是使用的测量系统的上升时间至少比要测量的信号快五倍，这将在2%范围内准确测量定时参数，如图1所示。

图1. 上升时间测量误差。
[图示内容：]
Measurement Error (%): 测量误差(%)
Ratio of Rise Times: 上升时间之比
 
尽管充足的带宽对良好的信号保真度必不可少，但不一定是带宽越高测量效果越好。在带宽提高时，与信号一起捕获的噪声也会提高。
 
示波器采样率
示波器的采样率表明仪器对输入信号采样的频度。为准确地重建信号，避免假信号，内奎斯特定理规定，信号被采样的速度至少是最高频率成分的两倍。信号的准确重建，离不开采样率和重建信号使用的插补方法。在sin (x)/x插补中，一条很好的通用规则是使用的采样率是系统带宽的五倍。在捕获单次事件和瞬态事件时，较低的采样率会限制示波器的单次带宽。
 
选择最优探头
探头选型似乎很简单，但要进行许多关键权衡，才能获得最优结果，特别是在测量低压信号时。示波器标配的无源探头可能并不是这种应用的最佳解决方案。
 
在低压测量中，使信号幅度达到最大，同时使外部噪声达到最小非常重要。探头选型是第一个关键步骤。电压探头与示波器的输入阻抗形成一个电压分路器，一般会衰减输入信号，这对提高测量系统的输入阻抗具有积极影响，但会降低示波器输入上的信号电平。示波器通过放大信号来补偿这种衰减，遗憾的是，示波器也会放大探头和示波器增加的任何噪声。从信噪比角度看，最优探头提供的衰减很小，或不提供衰减，以TPP0502高阻抗无源探头为例，它提供了500 MHz带宽，但衰减只有2X。
 
为使信号的负荷效应达到最小，应选择输入电阻非常高、输入电容非常低的探头。(使输入电容达到最小，会提高地线电感引起的谐振频率，或反之，允许使用更长的地线，而不会给信号保真度带来进一步损耗。) 使用有源探头可能会实现最低负荷，但会影响成本、噪声和动态范围。
 
所有电压测量都是相对于参考源的，这个参考源通常是“大地”。准确测量，特别是低压测量，尤其要依赖到参考电压的低阻抗路径。为最大限度地降低信号失真和捡拾噪声，应使用最短的接地。尽管标配无源探头上的长地线方便浏览，但地线电感会与输入电容谐振，在快速边沿上导致振铃。探头尖端和地线形成的大的环路区域会把噪声磁耦合到信号中。此外，地线和噪声来源(如开关器件)之间的电感电抗相距很近，会把噪声静电耦合到信号中。最好的解决方案是使地线的长度达到最小，并把地线连到尽可能接近信号连接的参考点上。
 
如需示波器探头的进一步技术信息，请参阅《泰克探头基础知识入门手册》(60W-6053-XX)，网址：www.tektronix.com 。


图2.示波器输入放大器上的AC耦合。
[图示内容：]
Oscilloscope: 示波器

 
图3. 在探头中增加DC偏置。
[图示内容：]
Probe：探头
Oscilloscope：示波器
Offset：偏置