在某些功率測量應(yīng)用中，您需要測量較大的動(dòng)態(tài)范圍值和精細(xì)的分辨率，以測量參數(shù)中的微小變化。除了高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，您還可以使用其他采集方法來降低隨機(jī)噪聲并增加測量的有效動(dòng)態(tài)范圍，例如平均計(jì)算和高分辨率采集。

求平均值法要求測量信號(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。該算法計(jì)算在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)多次收集的點(diǎn)的平均值。

這減少了隨機(jī)噪音，并為您提供更高的垂直分辨率。

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(gè)采樣平均值，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)算平均值的采樣數(shù)

例如，對 16 個(gè)采樣求平均值，垂直分辨率將增加：

位數(shù) = 0.5 log2 16 = 2

因此，有效垂直分辨率為 8 + 2 = 10 位。

這種算法最高可將垂直分辨率提高到 12 位，因?yàn)樵倮^續(xù)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。平均值模式的優(yōu)點(diǎn)是，對示波器的實(shí)時(shí)帶寬沒有任何限制。缺點(diǎn)是僅適用于重復(fù)信號(hào)，并且會(huì)降低波形更新速率。

▲圖1.正常采集模式下捕獲的開關(guān)電源 Vds

▲圖2.正常平均模式下捕獲的 Vds

降低噪聲的第二種方法是高分辨率模式，它不要求被測信號(hào)必須是重復(fù)信號(hào)。像Keysight InfiniiVision 3000 X系列這樣的現(xiàn)代示波器可以在正常采集模式下提供8位垂直分辨率 (類似于大多數(shù)其他數(shù)字示波器)。但是，與平均模式一樣，高分辨率模式只能實(shí)現(xiàn)12位的垂直分辨率。

高分辨率模式是對同時(shí)收集的連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行平均，而不是對在一定時(shí)間內(nèi)多次收集的點(diǎn)進(jìn)行平均。在高分辨率模式下，您不能像在平均模式下那樣直接控制平均數(shù)。垂直分辨率增加的位數(shù)由示波器的時(shí)間/格設(shè)置決定。

在較慢的時(shí)基范圍內(nèi)工作時(shí)，示波器連續(xù)過濾連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并在顯示屏上顯示過濾結(jié)果。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)深度也將增加用于平均計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。在高分辨率模式下，掃描速度越快，屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)越少，因此效果越差。相反，掃描速度越慢，在屏幕上捕獲的點(diǎn)越多，效果越顯著。

如果你關(guān)注的是信號(hào)的紋波，你可能不會(huì)注意到它的DC偏差。通常，與電源電壓相比，紋波和噪聲非常小。如果你使用示波器的動(dòng)態(tài)范圍來定量測量這個(gè)偏移，當(dāng)你遇到較小的信號(hào)細(xì)節(jié)時(shí)，你可能無法進(jìn)行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為 “交流" 可以消除測量結(jié)果中的直流偏壓，從而最大限度地提高測量的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。

▲圖3. 在高分辨率模式下捕獲的 Vds

雖然這種降低噪聲和增加動(dòng)態(tài)范圍的方法簡單，但經(jīng)常被忽略。功率信號(hào)的內(nèi)容通常遠(yuǎn)低于示波器的標(biāo)稱帶寬 (kHz至數(shù)十兆赫)。超額帶寬不會(huì)傳輸任何信號(hào)信息，這只會(huì)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(gè)問題 -- 通常是20到25MHz的低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不影響示波器的更新速率。

另一個(gè)解決方案是使用探針來限制帶寬。測量鏈的帶寬受其最弱環(huán)節(jié)的限制。這個(gè)500MHz的示波器配備了一個(gè)10MHz的探頭，它的帶寬將是10MHz。它提供各種無源和有源電流和差分探頭，并且始終有一個(gè)帶寬適合您的特定測量的探頭。

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。出于安全原因，示波器的機(jī)箱通過電源線的接地插頭連接到接地基準(zhǔn)。示波器和電源之間的不同接地模式可能相互沖突。許多要測量的信號(hào)是基于電勢而不是接地 (浮動(dòng))。電源設(shè)計(jì)人員使用各種方法來克服這種測量限制。

最常見的方法是通過切斷電源線的保護(hù)接地插頭或在電源線中使用隔離變壓器來 “浮置" (隔離) 示波器。這種方法非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗赡茉谑静ㄆ魍鈿ど闲纬筛唠妷骸４送?，使用浮?dòng)示波器進(jìn)行測量可能會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

測量浮動(dòng)功率信號(hào)的另一種方法是使用兩個(gè)單端電壓探頭進(jìn)行測量，然后利用通道A的測量結(jié)果減去通道B的測量結(jié)果，得到浮動(dòng)功率信號(hào)。兩個(gè)輸入通道和探針用于測量感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。然后，利用示波器上的波形操作函數(shù)減去兩個(gè)通道上的電信號(hào)，得到差分信號(hào)的軌跡。

這種方法相對安全，因?yàn)槭静ㄆ骺偸墙拥氐?。然而，?dāng)共模信號(hào)相對較小時(shí)，此時(shí)使用的兩個(gè)探頭的輸入通道之間的增益將不匹配，因此共模抑制相對較低，它小于20dB(10:1)，因此，測量受到一定程度的限制。

為了安全準(zhǔn)確地進(jìn)行浮動(dòng)測量，最好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供高共模抑制比，通常達(dá)到80 dB或10,000:1甚至更高，因此您可以以合適的精度和高靈敏度測量大型共模信號(hào)掩蔽。下面的小差分信號(hào)。使用具有足夠動(dòng)態(tài)范圍和帶寬的差分探頭來滿足應(yīng)用要求，可以實(shí)現(xiàn)安全準(zhǔn)確的浮動(dòng)測量。

小心選擇探頭附件。通用無源探頭通常提供標(biāo)準(zhǔn)配置的15厘米長接地引線和粘鉤探頭。這兩個(gè)附件可以檢測電源或其他設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。此外，長時(shí)間的接地連接通常會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)載，這增加了被測信號(hào)的振鈴。

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匝數(shù)，以及降低電感負(fù)載，來減少噪聲。

如果測量電源的紋波和噪聲幅度，則可能需要使用敏感或接近示波器敏感的V/網(wǎng)格設(shè)置。這只是放大器性能范圍的邊緣。盡管測試儀器可能在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)工作，但實(shí)際測量效果可能不如其 “基本" 性能好。

在這種情況下，您應(yīng)考慮使用 1:1 探頭，而不是使用儀器標(biāo)配的 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(huì)增加 10 倍，而且示波器的最小 V/ 格設(shè)置也會(huì)比使用 1:1 探頭時(shí)大 10 倍。這會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，從而使測量的動(dòng)態(tài)范圍縮小。使用衰減比較小的探頭，只要測量的信號(hào)不超過示波器的最大輸入電壓，就可以獲得出色的信號(hào)完整性。