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示波器怎么测小信号? -谈示波器的高分辨率模式

对数字示波器原理有些了解的人都知道,数字示波器采用高速ADC对被测信号进行采样。为了保证高的采样率,数字示波器的ADC的位数通常只有8bit,因此示波器本身的底噪声是比较高的。特别是在小信号测量的时候,由于信号本身比噪声高不了多少,所以信噪比显得尤其的差。比如下图是一个通信中常用的调幅波信号,信号频率并不高,但由于幅度较小,所以示波器的噪声叠加在上面显得信号没有那么清晰,如果想用光标进行测量的话也不容易卡准。

为了提高信噪比,我们最容易想到的方法是使用示波器的波形平均功能。平均功能通过多次采集,把多个波形叠加在一起做平均可以把示波器本身的噪声平均掉,但这只适用于重复性信号。如果信号不是重复性的话,不同的信号波形叠加在一起信号自己就已经乱了,更不用说做测量了。

实际应用中有大量这样的非重复的小信号需要测量,比如一个上电脉冲,或传感器过来的信号,或电源的纹波等,由于不是重复性的,所以没法使用平均功能。那么对于这类信号怎么提高其测量的准确性呢?答案就是示波器的高分辨率模式。

所谓高分辨率模式,就是把示波器采集到的一个波形中的相邻的多个点做平均。大家应该注意到这和平均模式的区别:平均模式是把多个波形相同位置的点做平均,因此需要采集到多个相同的波形;高分辨率模式则是把一个波形中多个相邻的点做平均,本质上也是平均,但一个波形就够了,不需要多次采集。因此,高分辨率模式可以使用于单次或非重复性信号的场合。下图就是对刚才调幅波信号使用高分辨率模式采集的结果。

通过设置高分辨率模式,我们可以看到示波器噪声的影响被消除掉很多,信号变得更加干净,测量也会更加准确。

但是需要注意的是,高分辨率模式并不是万能的,多个相邻采样点的平均本质上是一种信号的低通滤波,因此如果信号里有高频成分的话也会被平均掉。从上图左上角我们可以看到示波器被设置为高分辨率模式,右上角显示了在当前情况下的等效带宽。平均的点数越多,噪声滤除的效果越好,但是系统带宽就越低。下表是一个简单的公式。

其中N是平均的点数,Bandwidth Factor是系统做完高分辨率平均后实际等效带宽和理论Nyquist带宽的比值。比如系统采样率是40GHz/s,Nyquist带宽是20GHz。做20个点的平均后其等效采样率是2GHz/s,带宽因子是0.0222,则此时系统等效带宽是20GHz×0.0222=444MHz。

从前面可以看到,高分辨率模式是以牺牲带宽来提高测量精度的。因此,高分辨率模式并不适用于高频信号的测量。对于高频小信号的测量来说,更多的还是依赖于测量仪器硬件电路本身的底噪声指标。

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李凯的技术博客
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~~~~~~~ 探讨行业趋势 传播测量知识 ~~~~~~~ 高速测试20载,电子学会高级会员,《高速数字接口原理》、《现代示波器高级应用》作者。 kai_li@keysight.com 本博客文章均为个人原创,转载请注明出处!
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