工程師在使用示波器時經(jīng)常會遇到測量小信號的應(yīng)用，其中最關(guān)心的可能就是測量精度問題，那么如何才能進(jìn)行精確的小信號測量，特別是在信噪比小的情況下。我們今天就討論與小信號測量的相關(guān)示波器參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)測試。
首先，需要對信號進(jìn)行測量肯定需要一個穩(wěn)定的觸發(fā)，尤其是對于小信號。因?yàn)樵谛旁氡刃〉臅r候噪聲或干擾較大，往往不能形成穩(wěn)定的觸發(fā)，這就需要一個穩(wěn)定的能抗噪聲干擾的觸發(fā)系統(tǒng)。目前，數(shù)字觸發(fā)與廣泛使用的傳統(tǒng)模擬觸發(fā)系統(tǒng)相比，在這方面就具有極大的優(yōu)勢。關(guān)于數(shù)字觸發(fā)，本文不作詳細(xì)介紹。在穩(wěn)定觸發(fā)之后，跟小信號測量精度相關(guān)的參數(shù)主要討論垂直靈敏度和本底噪聲。
圖1 傳統(tǒng)觸發(fā)方式不能適應(yīng)小信噪比信號的觸發(fā)
圖2 數(shù)字觸發(fā)能保證穩(wěn)定觸發(fā)
1.垂直靈敏度
圖3 數(shù)字示波器工作原理框圖
數(shù)字示波器工作原理如圖3所示，模擬信號通過輸入通道進(jìn)入示波器即會通過一個放大器，我們稱之為垂直增益放大器。該放大器是處于adc之前，對模擬信號進(jìn)行放大（若信號過大，則通過衰減器進(jìn)行衰減）。經(jīng)過放大或衰減的信號再通過adc才轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過處理最終顯示在示波器屏幕上面。與垂直增益放大器對應(yīng)的示波器面板操作其實(shí)就是垂直區(qū)域的旋鈕，可能大家對于這個旋鈕比對放大器更為熟悉。
因此，對于信號的測量精度，在模擬部分，特別是垂直增益放大器就起了至關(guān)重要的作用。當(dāng)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，我們就不累述。垂直增益放大器相關(guān)指標(biāo)主要涉及到垂直靈敏度、dc增益精度等。dc增益精度體現(xiàn)了放大器的線性性能，用百分比表示。r&s示波器dc增益精度手冊給出的值一般在±1.5%，但實(shí)測值還會更小。對于小信號測量，垂直靈敏度更為重要。它體現(xiàn)了對信號的放大能力，單位用 mv/div或 v/div表示。眾所周知，進(jìn)行波形測量時需要調(diào)整垂直旋鈕，使波形盡量占滿示波器整個顯示柵格。示波器廠家也一般推薦使波形至少達(dá)到80%以上的垂直區(qū)域。這樣做的目的是使測量當(dāng)中的量化噪聲盡量小。比如，在2mv/div時測量結(jié)果的量化誤差肯定會比1mv/div時大一倍。因此，在進(jìn)行小信號測量時，比如毫伏級甚至微伏級的信號，我們需要將垂直靈敏度設(shè)置到最小才能盡可能的降低量化誤差的影響。由于各個示波器廠家的垂直增益放大器各不相同，因此體現(xiàn)出來的放大性能也不一樣，垂直靈敏度所能達(dá)到的最小值也不一樣。目前業(yè)內(nèi)能達(dá)到的最小垂直靈敏度為1mv/div。但這一指標(biāo)并非所有廠家都能達(dá)到。有的垂直旋鈕可以調(diào)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，類似于zoom。圖5可以看出，這種顯示放大到達(dá)的小量程設(shè)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(shè)置下的波形
圖5類似zoom方式的小量程設(shè)置
另外有些廠家垂直增益放大器的能力可以達(dá)到1mv/div的等級，并且無顯示放大，但卻有帶寬限制，即如果量程設(shè)置到小量程，如1mv/div，帶寬就會被限制到200mhz，2mv/div時，帶寬被限制到500mhz。這樣對于一些高頻的小信號測試就顯得無能為力。
r&s公司采用自己研發(fā)的優(yōu)異性能垂直增益放大器，保證示波器在達(dá)到最小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r&s rto1044示波器，帶寬為4ghz?？梢钥闯?，在1mv/div靈敏度是，4ghz示波器帶寬不受任何限制。那么r&s示波器到底能測多小的信號呢，我們做了如圖7所示實(shí)驗(yàn)，可以看出在信號amplitude值小至約40μv時，r&s示波器同樣能夠輕松測量。那能不能測更小的信號呢，感興趣的讀者可以繼續(xù)嘗試：）
圖6 全帶寬下1mv/div
圖7 小信號測試（約40μv ！?。。?
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(shù)，量化位數(shù)越高，精度也就越高。的確，adc位數(shù)越高，量化誤差也就越小。但測量精度是受多方面影響的，比如本底噪聲就是其中很重要的一個因素，特別是對于小信號測量。舉個例子：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(shù)adc的示波器，量化誤差再小也是測量不到信號的，因?yàn)樵谳斎隺dc之前的模擬前端，信號就已經(jīng)“消失”在本底噪聲之中了。所以，對于信號的測量精度，需要綜合各方面的因素來看。
本底噪聲主要受示波器模擬前端設(shè)計影響。優(yōu)秀的模擬前端設(shè)計可以將示波器本底噪聲降至最低。
圖8 r&s rto示波器模擬前端設(shè)計
r&s公司的示波器模擬前端均由具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的德國射頻專家設(shè)計，因此能很好的將本底噪聲降至最低。圖8為r&s rto示波器帶電磁屏蔽的模擬前端電路。為了驗(yàn)證r&s示波器本底噪聲性能，我們與某廠家的12位示波器分別在時域和頻域做了比較。
廠家 r&s 某廠家
型號 rto1004（600mhz帶寬） 某12bit型號（600mhz帶寬）
時域方面，兩臺相同帶寬示波器均在最小量程下進(jìn)行底噪比較。r&s rto1004示波器垂直為10格刻度，底噪值為80μv。某廠家12位示波器垂直為8格刻度，底噪值為114.46μv，如果換算成10格刻度來比較，那么底噪應(yīng)為114.46μv × 1.25 = 143μv。由此可見，rto底噪更勝一籌。
圖9 rto 600m 本底噪聲80μv
頻域方面，我們均采用10mhz頻率，功率-110dbm的正弦波作為輸入。從圖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12位adc，但由于信號淹沒于噪聲當(dāng)中，對該信號無法進(jìn)行測量。大家有興趣可以做相關(guān)對比實(shí)驗(yàn)。
圖10 rto測試-110dbm信號
作者簡介：周永舜先生于2010年畢業(yè)于電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，信號與信息處理專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位。畢業(yè)后供職于華為技術(shù)有限公司，先后從事微波中頻芯片算法研發(fā)與微波產(chǎn)品海外行銷工作。于2012年加入羅德與施瓦茨公司?，F(xiàn)任羅德與施瓦茨公司成都示波器業(yè)務(wù)發(fā)展工程師，主要負(fù)責(zé)西南地區(qū)示波器產(chǎn)品市場推廣工作。