示波器 小信號測試

示波器 小信號測量

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1 引言

本文主要討論使用示波器進行小信號測量相關(guan) 的性能參數，如：垂直靈敏度、本底噪聲等，並結合相關(guan) 測試進行說明。

2 小信號測量

工程師在使用示波器時經常會(hui) 遇到測量小信號的應用，其中zui關(guan) 心的可能就是測量精度問題，那麽(me) 如何才能進行的小信號測量，特別是在信噪比小的情況下。我們(men) 今天就討論與(yu) 小信號測量的相關(guan) 示波器參數，並進行相關(guan) 測試。

首先，需要對信號進行測量肯定需要一個(ge) 穩定的觸發，尤其是對於(yu) 小信號。因為(wei) 在信噪比小的時候噪聲或幹擾較大，往往不能形成穩定的觸發，這就需要一個(ge) 穩定的能抗噪聲幹擾的觸發係統。目前，數字觸發與(yu) 廣泛使用的傳(chuan) 統模擬觸發係統相比，在這方麵就具有極大的優(you) 勢。關(guan) 於(yu) 數字觸發，本文不作詳細介紹。在穩定觸發之後，跟小信號測量精度相關(guan) 的參數主要討論垂直靈敏度和本底噪聲。

圖1 傳(chuan) 統觸發方式不能適應小信噪比信號的觸發                    

圖2 數字觸發能保證穩定觸發

2.1 垂直靈敏度

圖3 數字示波器工作原理框圖

數字示波器工作原理如圖3所示，模擬信號通過輸入通道進入示波器即會(hui) 通過一個(ge) 放大器，我們(men) 稱之為(wei) 垂直增益放大器。該放大器是處於(yu) ADC之前，對模擬信號進行放大（若信號過大，則通過衰減器進行衰減）。經過放大或衰減的信號再通過ADC才轉化成數字信號，然後通過處理zui終顯示在示波器屏幕上麵。與(yu) 垂直增益放大器對應的示波器麵板操作其實就是垂直區域的旋鈕，可能大家對於(yu) 這個(ge) 旋鈕比對放大器更為(wei) 熟悉。

因此，對於(yu) 信號的測量精度，在模擬部分，特別是垂直增益放大器就起了至關(guan) 重要的作用。當然，ADC的量化誤差對信號測量精度同樣有影響，不過在之前的文章中有討論，我們(men) 就不累述。垂直增益放大器相關(guan) 指標主要涉及到垂直靈敏度、DC增益精度等。DC增益精度體(ti) 現了放大器的線性性能，用百分比表示。R&S示波器DC增益精度手冊(ce) 給出的值一般在±1.5%，但實測值還會(hui) 更小。對於(yu) 小信號測量，垂直靈敏度更為(wei) 重要。它體(ti) 現了對信號的放大能力，單位用 mV/div或 V/div表示。*，進行波形測量時需要調整垂直旋鈕，使波形盡量占滿示波器整個(ge) 顯示柵格。示波器廠家也一般推薦使波形至少達到80%以上的垂直區域。這樣做的目的是使測量當中的量化噪聲盡量小。比如，在2mV/div時測量結果的量化誤差肯定會(hui) 比1mV/div時大一倍。因此，在進行小信號測量時，比如毫伏級甚至微伏級的信號，我們(men) 需要將垂直靈敏度設置到zui小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由於(yu) 各個(ge) 示波器廠家的垂直增益放大器各不相同，因此體(ti) 現出來的放大性能也不一樣，垂直靈敏度所能達到的zui小值也不一樣。目前業(ye) 內(nei) 能達到的zui小垂直靈敏度為(wei) 1mV/div。但這一指標並非所有廠家都能達到。有的垂直旋鈕可以調到1mV/div這樣的小量程，但卻不是放大器真正的放大，而是通過顯示放大（Magnification）的方式，類似於(yu) Zoom。圖5可以看出，這種顯示放大到達的小量程設置，雖然圖片放大了，但量化誤差還是大量程下，如10mV/div或5mV/div的等級。

圖4 大量程設置下的波形                                  

圖5類似zoom方式的小量程設置

另外有些廠家垂直增益放大器的能力可以達到1mV/div的等級，並且無顯示放大，但卻有帶寬限製，即如果量程設置到小量程，如1mV/div，帶寬就會(hui) 被限製到200MHz，2mV/div時，帶寬被限製到500MHz。這樣對於(yu) 一些高頻的小信號測試就顯得無能為(wei) 力。

R&S公司采用自己研發的優(you) 異性能垂直增益放大器，保證示波器在達到zui小1mV/div的靈敏度（非顯示放大）同時也能保證示波器在全帶寬情況下工作。如圖6所示，該示波器為(wei) R&S RTO1044示波器，帶寬為(wei) 4GHz。可以看出，在1mV/div靈敏度是，4GHz示波器帶寬不受任何限製。那麽(me) R&S示波器到底能測多小的信號呢，我們(men) 做了如圖7所示實驗，可以看出在信號Amplitude值小至約40μV時，R&S示波器同樣能夠輕鬆測量。那能不能測更小的信號呢，感興(xing) 趣的讀者可以繼續嚐試：）

圖6 全帶寬下1mV/div                                             

圖7 小信號測試（約40μV ！！！）

2.2 本底噪聲

提到測量精度，很多讀者可能想到的就是ADC量化位數，量化位數越高，精度也就越高。的確，ADC位數越高，量化誤差也就越小。但測量精度是受多方麵影響的，比如本底噪聲就是其中很重要的一個(ge) 因素，特別是對於(yu) 小信號測量。舉(ju) 個(ge) 例子：如果示波器本底噪聲過大，淹沒了小信號，那此時即使用再高位數ADC的示波器，量化誤差再小也是測量不到信號的，因為(wei) 在輸入ADC之前的模擬前端，信號就已經“消失”在本底噪聲之中了。所以，對於(yu) 信號的測量精度，需要綜合各方麵的因素來看。

本底噪聲主要受示波器模擬前端設計影響。的模擬前端設計可以將示波器本底噪聲降至zui低。

圖8 R&S RTO示波器模擬前端設計

R&S公司的示波器模擬前端均由具有多年工作經驗的德國射頻專(zhuan) 家設計，因此能很好的將本底噪聲降至zui低。圖8為(wei) R&S RTO示波器帶電磁屏蔽的模擬前端電路。為(wei) 了驗證R&S示波器本底噪聲性能，我們(men) 與(yu) 某廠家的12位示波器分別在時域和頻域做了比較。

時域方麵，兩(liang) 台相同帶寬示波器均在zui小量程下進行底噪比較。R&S RTO1004示波器垂直為(wei) 10格刻度，底噪值為(wei) 80μV。某廠家12位示波器垂直為(wei) 8格刻度，底噪值為(wei) 114.46μV，如果換算成10格刻度來比較，那麽(me) 底噪應為(wei) 114.46μV × 1.25 = 143μV。由此可見，RTO底噪更勝*。

圖9  RTO 600M 本底噪聲80μV

頻域方麵，我們(men) 均采用10MHz頻率，功率-110dBm的正弦波作為(wei) 輸入。從(cong) 圖10可以看出，R&S示波器憑借極低的底噪聲可以清晰的測量該微弱信號。而某廠家的示波器雖然為(wei) 12位ADC，但由於(yu) 信號淹沒於(yu) 噪聲當中，對該信號無法進行測量。大家有興(xing) 趣可以做相關(guan) 對比實驗。

圖10 RTO測試-110dBm信號