【有奖】实时示波器的小信号测量方法
本文4500字，主要包括如下内容：
小信号测试的设备需求
小信号测试的技巧和注意事项
小信号测试探头
(全文阅读需要15分钟)
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示波器作为电子行业最通用的仪器设备，其应用面一直在拓宽和深化中。在前面几期，我们介绍了一些实时示波器常用的或者传统的功能和应用，本期文章，我们来谈谈近十来年越来越普遍的小信号测试。
首先来看看什么是小信号?比如：
根据以上几种定义，典型如各种便携式以及穿戴式设备的功耗测试，涉及各种状态下的电流，包括待机，猝发短信，通话及网络数据模式等。各种IoT设备为了实现低功耗长续航，也存在类似的挑战。
数字电路中另一典型小信号是电源纹波和噪声。骨干网络系统的越来越高的带宽和高集成度的功耗需求驱使信号朝向更低的上升沿更低摆幅以及高阶调制方向发展，同时信号在传输链路的接收端幅度大幅缩减必须采用均衡以打开眼图，导致比如最典型的PAM-4信号对信噪比要求越来越高。
寻根究源对电路系统的供电电压的纹波和噪声需求日益苛刻。直流电源的纹波噪声过大，相关联的高速芯片在信号传输中可能就会因为电源噪声的问题而影响信号的完整性。
因此很多的高速芯片厂商对电源的设计都有非常严格的要求，下图是 Broadcom 的 25Gbps 超高速 Serdes 芯片技术手册，里面明确定义了对输入各种直流电源的噪声要求，为了使电源噪声不影响高速信号质量，对 PLL 电源的噪声要求甚至达到 3mV 内。
图1 Broadcom某款 SerDes芯片不同电路单元供电要求
此外在射频领域，还要很多幅度非常小的射频微波信号，包括EMI/EMC诊断等。
本期文章，我们就小信号的测试方法做一介绍。
小信号测量的设备要求
基于示波器的小信号测量，涉及到的比较直观的关键指标包括：本底噪声，ADC有效位数，垂直灵敏度等。
本底噪声通常是指示波器的“本底噪声”，在示波器的模拟前端和数字转换过程产生的垂直噪声。若示波器的底噪非常大，实际的信号很可能被淹没在本底噪声中，不能得出正确的测量结果。由此可见，底噪对于小信号测量有至关重要的作用。
使用一台矢量信号发生器E8267D输出一个频率为10MHZ，幅值为200uV的正弦波小信号，使用一根SMA cable和示波器CH1相连，Keysight E8267D是一款高输出功率、低相位噪声和I/Q调制能力的全合成信号发生器。从该信号源中输出的200uv小信号正弦波，输入到MXR示波器中，从下面图片中可以看出示波器所读出的ACVrms=210uV,Vpp电压也仅为956uV，说明该款示波器测量小信号精准度是非常高的。
图2 MXR示波器测量200uV小信号
那么，实际测量一下MXR示波器的底噪到底如何？
在示波器通道不连接任何探头或电缆的情况下，将CH1的垂直刻度设置成1mV/div，带宽不做限制，使用全带宽6.3GHz，我们可以看到所测试出来的 ACVrms = 198uV，这个底噪值是非常小的，也符合MXR示波器手册上给出的底噪值。
通过FFT的转换在频域上进行查看，量测功率谱密度为-160dbm，这个值是非常好的，相当于目前主流的频谱分析仪的指标，对量测一些小信号是非常有利的。
图3 MXR 6.3GHz全带宽下时域和频域底噪
示波器的ADC位数直接涉及到采样过程的量化等级和最终量化噪声，因此对小信号测试也是非常重要的。当然更加说明问题的是ENOB(Effective Number of Bits)指标。想了解更多示波器采样系统和水平ADC指标的内容，请参考MXR云马拉松第三站的文章《是德示波器的精确测量源自什么》。
图4 MXR系列ADC Hi-Res模式最高可达 16bit.
示波器的垂直灵敏度一般就是指垂直刻度，针对小信号测量，如果能将垂直刻度尽量调节到最小，可以将小信号尽量调节到满屏，从而用足ADC的线性范围最小化ADC的量化噪声。MXR系列中端示波器的垂直灵敏度最小可以达到1mV/DIV，因此对10mV幅度以下信号会有非常良好的表征。特别说明，如下1 MΩ输入幅度下，最高5 V/div是不包括引入外部探头的垂直灵敏度。
图5 MXR系列示波器垂直灵敏度
小信号的测试技巧
如何精准地测量小信号，或者有哪些注意事项?
首先，当然如第一部分所论述，选择一款性能足够的示波器是最重要的。
在给定示波器的情况下，有如下事项和技巧：
01
调节足够的垂直灵敏度
足够的垂直灵敏度可以确保将信号在垂直方向尽量拉开，用足ADC的线性范围。
在实际应用中，进行多路信号测试的时候，同时展开会导致波形重叠显示，因此很多工程师选择不同通道波形分别占屏幕的几个格子。切记，切记，这是示波器使用中的大忌！因为此时每个通道都没有用足垂直显示线性范围，推荐将示波器显示分成多个Grid，把每个通道波形分别放在不同的Grid里。Keysight Infiniium系列Windows示波器均支持将每个波形窗口最多分成16个Grid，最多支持8个波形窗口，因此总的波形分开显示的Grid高达128个。
图6 多通道波形分别放在不同的Grid
02
针对低频信号，选择高分辨率(Hi-Res)模式
关于高分辨率模式的说明，请参考MXR云马拉松第三站的文章《是德示波器的精确测量源自什么》。Hi-Res的缺点是带宽下降，因此需要确保此时示波器的采样率和可用带宽对被测信号足够，以免发生混叠。
03
针对一些重复的小信号，可以考虑采用平均模式
在平均模式下，可以通过若干次波形直接平均，直接滤除随机噪声，但是必须是重复信号，且平均模式采集到的数据不能支持FFT分析。
04
针对一些特定频带或频点信号
可以采用带通或者低通滤波器降低示波器的本底噪声。
通常示中端波器都会标配提供硬件滤波器20MHz和200MHz，这两个滤波器用于一般电源纹波测试均已足够。
图7 硬件20/200MHz带宽限制
针对一些有特殊要求的小信号测试，需要灵活进行自定义带宽限制则可以在Math数学运算里选择 Low Pass / High Pass 等滤波器。
图8 Math运算里支持的数学滤波器
05
选择低衰减比探头
在某些场合下必须使用外部探头连接信号，考虑到探头具有衰减倍数，通常外部连接附件衰减多少倍，示波器自动识别探头型号和衰减倍数会自动放大多少倍，因而同步放大示波器的本底噪声，进而淹没小信号。当然涉及探头的使用，尽量短的接地回路也是必须的，以免耦合更多噪声。
06
充分使用示波器和探头的垂直偏移，卸载加载在直流信号上的小信号
对于一些带直流偏置的小信号，在卸载直流偏置电压后再调节垂直刻度展开信号到最大显示线性范围，才能得到最准确的测量结果。因此示波器的垂直偏移设置能力有时对小信号测试就非常重要。一般示波器的垂直刻度设置较小的时候，其垂直偏置也会降低，因此这时可以考虑借助外部探头的垂直偏移设置。
如下图示，选择正常模式，调节示波器通道偏移旋钮可控制示波器的通道本身的垂直偏移，测量差分信号时选择此选项。选择探头控制，可以直接卸去探头放大器前端输入处的 VDC ，使用差分探头测量单端信号时，请选择此选项。通过使用探头本身自带偏移，调节通道偏移旋钮现在可以控制探头的垂直偏移，从而允许在信号到达放大器之前从输入信号中减去偏移的直流电压。
图9 采用探头的垂直偏移卸去信号上的直流分量
以Keysight经典的差分探头113xB系列为例，探头本身就可以支持±12V垂直偏移，针对带直流偏置的小信号提供了灵活的测试能力。
以上，我们总结了一些小信号测量的注意事项和技巧，其核心实际围绕着的就是如何降低测量中引入的各种噪声。除了示波器本身的设置外，针对一些特定小信号测量，推荐使用专用探头。下面就介绍一些专用探头。
小信号测试的探头
1.
电源纹波和噪声测试探头
电源纹波和噪声是典型的小信号，其测试的重要性和意义在很多文章中都有论述，在本文前言也有提及。
事实上基于今天电路集成度的大规模提高和SoC的广泛应用，很多高速串行信号完整性测试中的问题，最终根本原因就是电源和时钟的问题，因为今天电子系统的硬件研发主要任务演变成部分核心集成电路，PCB，连接器和电源及时钟等部件的集成。因此近些年来，业界对PI的问题非常重视。
N7020A/N7024A即为Keysight专门为电源纹波和噪声测试用探头，该探头具有最高2GHz/6GHz带宽。
根据前面所描述的注意事项和技巧说明，N7020 / N7024A 探头具备接近1:1的衰减比例，可以最大保真度地将信号输送给示波器前端。另外本身还具有±24V/±15V的垂直偏移设置能力。
N7020A 探头特别适于今天频率越来越高的电源纹波小信号测试，另外 N7020A 最高2GHz带宽适用于传统的高速并行总线如 DDR3/4 等标准的同步切换噪声 (SSN) 或地弹 (Ground Bounce) 测试，N7024A 的 6GHz 带宽则适用于当前的高速串行总线数据传输时的切换噪声 (Switching Noise)，比如PCIE3.0 (8Gbps)及 USB3.1 (10GBps) 等，是目前业界带宽指标最高的电源纹波和噪声测试探头。
N7020A 可以用于 Keysight 3000T / 4000X / 6000X / MXR 系列低中端示波器产品。N7024A 则适用于Keysight S / MXR / V/ Z / UXR 系列中高端示波器， N7024A 填补了业界在中高端示波器上进行高频电源切换噪声测试的空白。
图10 N7020A(白色)/N7024A(黑色)探头
和N7021A焊接前端示意图
N7020A除了提供高达2GHz带宽的N7021A焊接连接方式外，还提供了方便灵活的N7023A附件如下图示：
图11 N7023A点测前端
该附件组件提供了多种灵活的连接方式，如传统的探头针尖和短弹簧地针点测，以及双列直插连接和贴片器件夹，分别如下图左中右所示。经实际工程检验贴片器件夹最小可0201封装贴片器件。
图12 N7023A探测前端实际操作示意图
配合晚近发布的N7024A探头，Keysight还推出了N7032A/N7033A带宽分别达到4GHz/5GHz的点测前端：
图13 N7032A/N7033A 4GHz/5GHz电源噪声点测前端
N7032A点测前端可以方便地对0805和0603封装的器件进行探测，N7033A前端则可以方便地探测0402和0201封装器件。特别说明的是，N7032/N7033A不仅可以用于N7024A还可用于N7020A。
2.
小电流测试探头
除了纹波和噪声之类的电压小信号，对电池续航能力的追求驱动着终端系统对各种模式下的耗电电流需要进行精确的测量。
比如下图，一个典型的智能手机各种模式的工作电流变化。在发送信号时的电流可能达到1-2A，而在待机状态的电流则低达亚mA级别,在这里，不仅存在小电流信号测试的灵敏度或分辨率问题，而且需要解决信号的巨大的动态范围对于测试设备的挑战，当然对于常规的霍尔效应的电流探头是极大的挑战。
图14 典型智能手机各种模式工作电流变化
比如Keysight近年推出的基于霍尔效应的新款的最高带宽150MHz的电流探头 N7026A，最小灵敏度达 1mA / Div，即使针对小电流信号绕10圈线可以达到0.1mA的灵敏度也不能满足上图智能手机待机电流的测试需求。
图15 N7026A 最高1mA/Div灵敏度的电流探头
针对此类测试需求，Keysight还推出了高灵敏度高动态范围的小电流探头N2820A/N2821A：
图16 N2820A(左)/N2821(右)
高灵敏度、高动态范围小电流探头
N2820A为双通道接入示波器，N2821A为单通道接入不带二级电缆或全局信号通道接入。其原理和架构如下图示，基于欧姆定律，在被测信号环路中插入一个 RS —敏感的精密电阻，示波器会根据其上面的电压信号波动和电阻关系得到电流波形。
图17 N2820/N2821A架构原理
N2820A/N2821A探头使用100m Ω敏感电阻时，最小可以测试50uA电流，最大可以测试到5A电流。小信号测量的放大通道带宽达500KHz，全局信号通道带宽3MHz。
下图展示的就是N2821A电流探头测量，通道2用Secondary Cable无源电缆接入，展示的是全局信号观测，同时观测到正常工作模式和待机状态电流信号，通道1是高灵敏度放大观测专门测量待机时的小电流信号。
图18 N2821A高灵敏度高动态范围电流信号测量
如果插入的敏感电阻为1Ω，那么N2820A/N2821A探头也可以用于测量小电压信号。
3.
射频小信号测量
基于示波器，采用近场探头还可以进行EMI/EMC诊断调试。Keysight可以提供N9311X RF/Microwave探头附件。
图19 N9311X RF/Microwave近场探头
N9311X提供如下天线：
图20 N9311X提供的天线
采用上述近场探头拾取信号后，通常可以采用示波器的FFT数学运算分析来检测EMI频点。如果EMI是偶发信号，FFT还能捕获得到么？留待最后一期文章给出答案。
结语
以上就是本期针对一些典型小信号测量的介绍，包括对设备的要求，测试的一些技巧和注意事项以及专门的测试探头。
事实上小信号种类庞杂，与一般的数字信号相比无规律可循，因此在实际的测量工作中，需要根据实际情况而定。但是根本宗旨是如何提高测量中的信噪比也即如何降低测量中引入的各种噪声，最终得到真实的信号。
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