- 通過計(jì)算平均值提高測量分辨率
- 使用高分辨率采集提高測量分辨率
- 使用交流耦合去除直流偏置
- 使用差分探頭進(jìn)行安全、精確的浮置測量
在進(jìn)行功率測量時，工程師選用的測量儀器，除了要有較大的測量動態(tài)范圍，還要注意在探測中優(yōu)化信號完整性。本文總結(jié)了每位工程師在使用示波器進(jìn)行功率測量時必須知道的七大秘訣，下面將對每條秘訣進(jìn)行詳細(xì)討論。
第1個秘訣：通過計(jì)算平均值提高測量分辨率
在某些功率測量應(yīng)用中，常常需要測量大動態(tài)范圍的值，同時還需要細(xì)致地調(diào)整分辨率，以測量參數(shù)的微小變化。除了使用高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器之外，也可以使用其他采集方法來降低隨機(jī)噪聲，增加測量的有效動態(tài)范圍。例如求平均值和高分辨率采集。
求平均值要求測量的是重復(fù)信號。該算法對跨越多次采集的各時間段內(nèi)的點(diǎn)求平均值。這樣可以降低隨機(jī)噪聲，提供更卓越的垂直分辨率。
垂直分辨率每增加一位，需要計(jì)算多少平均值？答案是每計(jì)算4個樣本平均值，便可將垂直分辨率增加1位。原理如下：
增加的位數(shù)= 0.5 log2 N,N = 計(jì)算平均值的樣本數(shù)。例如，對16個樣本求平均值，垂直分辨率將增加：位數(shù)= 0.5 log2 16 = 2.因此，有效的垂直分辨率為8 + 2 = 10 位。
這種算法在垂直分辨率為12位時效果最好，因?yàn)樵倮^續(xù)增加下去，其他因數(shù)（例如示波器的垂直增益或偏置精度）將起到?jīng)Q定性作用。平均模式的優(yōu)點(diǎn)是，它對示波器的實(shí)時帶寬沒有任何限制。缺點(diǎn)是它要求使用重復(fù)性信號，并會降低波形更新速率。在正常采集模式下與平均模式下捕獲的開關(guān)電源的Vds分別如圖1和圖2所示。
圖1 在正常采集模式下捕獲的開關(guān)電源的Vds
圖2 在正常平均模式下捕獲的Vds
第2個秘訣：使用高分辨率采集提高測量分辨率
降低噪聲的第2個方法是高分辨率模式，它不需要使用重復(fù)信號。Agilent InfiniiVision 3000 X系列等現(xiàn)代化示波器在正常采集模式下可提供8位垂直分辨率（與大多數(shù)其他數(shù)字化儀類似）。然而與平均模式一樣，高分辨率模式也只能達(dá)到12位的垂直分辨率。在高分辨率模式下捕獲的Vds如圖3所示。
高分辨率模式是對同一次采集的連續(xù)點(diǎn)求平均值，而不是對某個時間段內(nèi)多次采集的點(diǎn)求平均值。在高分辨率模式中，您不能像在平均模式中那樣，直接控制平均值數(shù)量。垂直分辨率位數(shù)的增加由示波器的時間/格設(shè)置決定。
圖3 在高分辨率模式下捕獲的Vds
當(dāng)在較慢時基范圍狀態(tài)下工作時，示波器會連續(xù)過濾相繼的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將過濾結(jié)果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲器深度，也會同時增加進(jìn)行平均值計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。高分辨率模式下，掃描速度越快，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越少，因此效果就越差。相反，掃描速度越慢，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)就越多，效果也就越顯著。
第3個秘訣：使用交流耦合去除直流偏置
如果工程師正在重點(diǎn)研究信號的紋波，可能并不關(guān)心其直流偏置。通常，紋波和噪聲與電源電壓相比是極小的。如果使用示波器的動態(tài)范圍對這種偏置進(jìn)行定量測量，那么在遇到更微小的信號細(xì)節(jié)時，可能無法進(jìn)行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為"交流",將會從測量結(jié)果中去除直流偏置，最大限度提高測量的線性度和動態(tài)范圍。
第4個秘訣：使用示波器和探頭限制帶寬
這種降低噪聲、增加動態(tài)范圍的方法雖然簡單，但常常被忽視。電源信號內(nèi)容與示波器的標(biāo)稱帶寬相比往往低得多（kHz至幾十MHz級別）。多余的帶寬不會傳輸任何信號信息，只會給測量帶來額外的噪聲。
大多數(shù)示波器使用專用的硬件濾波器來解決這個問題，通常是20至25MHz低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個優(yōu)勢是，它不會影響示波器的更新速率。
另一種方法是使用探頭來限制帶寬。測量鏈的帶寬受其"最弱一環(huán)"的限制。500MHz示波器配備10MHz探頭，其帶寬將會是10MHz.安捷倫提供了多種無源、有源的電流和差分探頭，總有一款探頭的帶寬會適合特殊測量。
第5個秘訣：使用差分探頭進(jìn)行安全、精確的浮置測量
示波器探頭上的接地引線通過BNC連接器的外殼連接到機(jī)箱。出于安全考慮，示波器的機(jī)箱通過電源線的接地插頭連接到接地參考面。示波器與電源的接地方式不同，兩者之間可能產(chǎn)生沖突。許多令人感興趣的信號是以電勢而不是以接地作為參考的（浮置）。電源設(shè)計(jì)人員采用各種方法來克服這一測量限制。
最常用的方法是，通過削除電源線的防護(hù)接地插頭，或在電源線路中使用隔離變壓器，使示波器"浮置"（隔離）。這種實(shí)踐方法非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗锌赡茉谑静ㄆ鳈C(jī)箱上形成高電壓。此外，使用浮置示波器進(jìn)行測量，可能導(dǎo)致測量結(jié)果不精確。
圖4 使用差分探頭或差分放大器進(jìn)行浮置測量更安全
測量浮置電源信號的另一種方法是，使用兩個單端電壓探頭，用通道A的測量結(jié)果減去通道B的測量結(jié)果，即得到浮置電源信號。使用兩個輸入通道和探頭來測量感興趣的信號節(jié)點(diǎn)，然后使用示波器上的波形數(shù)學(xué)功能，讓兩個通道上的電信號相減，得到差分信號的跡線。
這種方法相對安全一些，因?yàn)槭静ㄆ魇冀K保持接地。然而當(dāng)共模信號相對較小時，測量會受到一定的限制，因?yàn)榇藭r使用的兩個探頭輸入通道之間的增益失配，共模抑制比較低，大約不到20dB（10:1）。
進(jìn)行安全精確的浮置測量，最好使用差分探頭或差分放大器（圖4）。差分探頭提供較高的共模抑制比，通常達(dá)到80dB或 10000:1甚至更高，因此可以測量大共模信號中隱藏的小差分信號，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏y量精度和高靈敏度。使用動態(tài)范圍和帶寬足夠滿足應(yīng)用需求的差分探頭，可進(jìn)行安全和精確的浮置測量。
第6個秘訣：避免探測耦合了輻射功率的附件
請務(wù)必謹(jǐn)慎使用探測附件。通用無源探頭在標(biāo)準(zhǔn)配置中通常提供15厘米長接地引線和掛鉤探針（圖5），這兩種附件可能會探測到電源或其他器件所產(chǎn)生的噪聲。此外，長接地連接往往會產(chǎn)生電感負(fù)載，給被測信號增加振鈴。
圖5 測試中務(wù)必謹(jǐn)慎使用探測附件
反之，較小的探針、較短的接地連接，例如使用電路板上的BNC適配器或卡口式接地引線可以顯著減少探測到的噪聲，其原理是通過盡量減少連接的匝數(shù)，可降低電感負(fù)載。
第7個秘訣：選擇避開示波器最靈敏設(shè)置的探頭
如果測量電源的紋波和噪聲幅度，有可能要用到示波器最靈敏的或接近最靈敏的V/格設(shè)置，這正好處于放大器安全性能范圍的邊緣。雖然測試儀器的工作可能會符合技術(shù)指標(biāo)，但實(shí)際的測量效果也許還比不上它的"基本"性能。
首先，應(yīng)嘗試使用1:1探頭，而不是使用儀器附帶的標(biāo)準(zhǔn)配置10:1無源探頭。若使用10:1探頭，不僅示波器的基線本底噪聲會以10倍增加，而且示波器的最小V/格設(shè)置也會比使用1:1探頭時的情況大10倍。這會導(dǎo)致信噪比降低，測量的動態(tài)范圍縮小。使用衰減較小的探頭，只要測量的信號不超過示波器的最大輸入電壓，那么就可以獲得出色的信號完整性。
