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提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

發(fā)布時(shí)間:2024-08-23 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計(jì)者的目標(biāo),因?yàn)楣こ處熜枰獪y(cè)量更精細(xì)的信號(hào)細(xì)節(jié)。但是,想獲得更高垂直分辨率并不只理論上增加示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的位數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的。泰克4、5 和6系列示波器采用全新的12位ADC和兩種新型低噪聲放大器,不僅在理論上提高分辨率,在實(shí)用中垂直分辨率性能大大提升。這些顛覆式的產(chǎn)品擁有高清顯示器和快速波形更新速率,并且實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率來(lái)查看信號(hào)的細(xì)節(jié)。


引言


提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計(jì)者的目標(biāo),因?yàn)楣こ處熜枰獪y(cè)量更精細(xì)的信號(hào)細(xì)節(jié)。但是,想獲得更高垂直分辨率并不只理論上增加示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的位數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的。泰克4、5 和6系列示波器采用全新的12位ADC和兩種新型低噪聲放大器,不僅在理論上提高分辨率,在實(shí)用中垂直分辨率性能大大提升。這些顛覆式的產(chǎn)品擁有高清顯示器和快速波形更新速率,并且實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率來(lái)查看信號(hào)的細(xì)節(jié)。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖1:6系列MSO采用12位ADC、信號(hào)處理和低噪聲前端實(shí)現(xiàn)高垂直分辨率


電源開關(guān)實(shí)測(cè)對(duì)比


開關(guān)電路在每個(gè)周期后會(huì)產(chǎn)生振蕩,我們的目標(biāo)是檢查這些振蕩。但與開關(guān)信號(hào)的幅度相比,振蕩相對(duì)較小。圖1顯示了使用不同垂直分辨率示波器進(jìn)行相同測(cè)試的結(jié)果。為了看到整個(gè)開關(guān)周期,垂直刻度必須設(shè)置為大約1V/分以將信號(hào)適應(yīng)顯示的10個(gè)刻度。


測(cè)試結(jié)果


圖2和圖3顯示了兩臺(tái)示波器在相同條件下的測(cè)試結(jié)果:(采樣率為250MSa/s,采樣點(diǎn)數(shù)為10k,垂至刻度為1V)。兩臺(tái)儀器都使用了相同的 IsoVu 光學(xué)隔離電壓探頭,以消除其它探頭可能引入的噪聲??梢钥吹?位示波器由于量化級(jí)數(shù)小而導(dǎo)致在高放大倍數(shù)下的結(jié)果出現(xiàn)了明顯的鋸齒狀,使得分析振蕩變得困難。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖2:使用8位MDO4000C(左側(cè))和12位 MSO(右側(cè))示波器放大顯示一個(gè)切換信號(hào)


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖3. 左圖顯示了MDO4000C示波器的諧振現(xiàn)象(分辨率為8位);右圖顯示了新的MSO系列示波器的諧振現(xiàn)象(分辨率為12位)


需要更高的垂直分辨率


在數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)采樣時(shí),ADC會(huì)把信號(hào)分成多個(gè)垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)(有時(shí)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換電平或量化電平或最低有效位(LSB))。每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示一個(gè)離散的垂直電壓等級(jí),二進(jìn)制數(shù)據(jù)越多,分辨率越高。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)在ADC中表示為2N ,其中N表示位數(shù)。


一般正弦波(圖4a)視垂直分辨率會(huì)表現(xiàn)出很大的差異。圖4b是使用2位ADC轉(zhuǎn)換后的正弦波,22=4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電平。數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在4個(gè)不同的垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)中:00、01、10或11。4位ADC有16個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí),作為4位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(圖4c)。因此,模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)越多,分辨率越高,數(shù)字示波器表示的信號(hào)越接近原始模擬信號(hào)。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖4a: 模擬信號(hào)圖4b: 2位模數(shù)轉(zhuǎn)換器圖4c: 4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器


更高的垂直分辨率提供了兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì):

?  清楚地查看信號(hào),并能夠放大信號(hào),查看信號(hào)的細(xì)節(jié)。

?  可以更精確地測(cè)量電壓,這在電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證中尤其關(guān)鍵。


傳統(tǒng)數(shù)字示波器一直基于8位ADC技術(shù),大部分工程師在設(shè)計(jì)工作中通過提高采樣率,從而改善水平分辨率。隨著時(shí)間推移,8位ADC在采樣率、噪聲性能、低失真方面都得到了優(yōu)化。但ADC本身只能提供 28=256個(gè)垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí),對(duì)于需要更高垂直分辨率的應(yīng)用來(lái)說(shuō),比如電源設(shè)計(jì),這種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)可能太粗糙了。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖5:把多條示波器通道手動(dòng)“縫合”在一起,重建信號(hào)


在8位ADC中,查看更多電壓細(xì)節(jié)的一種常用方法是過量程測(cè)試 + 多條通道。如圖5所示,這種方法會(huì)導(dǎo)致失真,因?yàn)?位示波器的輸入放大器可能要費(fèi)力地從過量程飽和中恢復(fù)過來(lái)。儀器以這種方式運(yùn)行時(shí),測(cè)試結(jié)果一般沒法保證。

全新示波器ASIC實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率


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圖6a:全新泰克12位ASIC          圖6b:全新泰克模擬放大器ASIC   圖6c:全新泰克模擬前端ASIC(TEK049)                                    (TEK061)                                   (TEK026D)


由于示波器采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)的垂直分辨率較以前的8位ADC采集系統(tǒng)大大提高。這主要通過在示波器中實(shí)現(xiàn)認(rèn)真規(guī)劃的ASIC設(shè)計(jì)來(lái)完成。


在高帶寬、低V/Div設(shè)置下降低噪聲,提高增益


全新ASIC還發(fā)揮著關(guān)鍵作用,使得示波器能夠支持示波器顯示器上的各種滿刻度。6系列MSO中的全新TEK061 ASIC(圖6b)在高帶寬和小垂直標(biāo)度下提供了行業(yè)領(lǐng)先的性能。全新 TEK026D(圖6c)ASIC適用于4、5和6系列,保證超低噪聲,甚至可以精確探測(cè)1GHz,而不會(huì)從探頭放大器中增加噪聲。圖7是該系統(tǒng)的總體框圖。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖7:4、5和6系列MSO一條通道的采集路徑


硬件濾波器技術(shù)改善垂直分辨率


一般來(lái)說(shuō),示波器ADC一直以最大采樣率運(yùn)行,而不管采用什么設(shè)置。然后用戶可以設(shè)置較低的采樣率,并壓縮(舍棄)樣點(diǎn)去存儲(chǔ)想要的記錄長(zhǎng)度 / 采樣率的組合。這種模式稱為“采樣模式”,也就是扔掉多余的樣點(diǎn)。泰克一直采用稱為高分辨率或“HiRes”模式的方法,來(lái)更有效地利用“多余的”樣點(diǎn)。樣點(diǎn)會(huì)進(jìn)行平均,創(chuàng)建所需的采樣率,這個(gè)過程通常稱為“信號(hào)組平均”。每個(gè)樣點(diǎn)由更多的信息組成,提供了更好的準(zhǔn)確度,有效地提高了垂直分辨率。圖8比較了采樣模式與HiRes(信號(hào)組平均)模式。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖8:采樣模式與HiRes(信號(hào)串平均)模式比較


通過使用信號(hào)組平均技術(shù),垂直分辨率的位數(shù)可以提高:


0.5log D


其中:D是壓縮率,或最大采樣率與實(shí)際采樣率之比。


全新高分辨率模式(也叫High Res)利用TEK049ASIC中的硬件,不僅執(zhí)行平均功能,還針對(duì)每種采樣率實(shí)現(xiàn)了防失真濾波器和一套獨(dú)特設(shè)計(jì)的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器,確保用戶以最高分辨率表示被測(cè)的原始信號(hào)。FIR濾波器對(duì)選定的采樣率保持最大帶寬,防止失真,在超出可用帶寬時(shí)消除噪聲能量。圖9介紹了濾波器使用方式上的差異。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖9:與 MSO/DPO5000相比,4、5和6系列MSO的濾波器功能得到明顯改善。5階和17階濾波器可以調(diào)節(jié),具體視示波器設(shè)置而定;6系列上的FFT(觸發(fā)后)提供了探頭校正功能,確保測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。


在4、5和6系列MSO上,每個(gè)濾波器的低通響應(yīng)是為全面平衡噪聲抑制和瞬態(tài)階躍響應(yīng)而設(shè)計(jì)的。矩形濾波器可以實(shí)現(xiàn)最大的噪聲抑制效果,但不能提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。


吉布斯現(xiàn)象描述了一種效應(yīng),大的頻響不連續(xù)點(diǎn)(如矩形濾波器)會(huì)在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中導(dǎo)致振鈴和過沖/下沖,如圖10所示。因此,均衡方法必須考慮限制噪聲,而不會(huì)引起差的階躍響應(yīng)。如果沒有認(rèn)真均衡,那么示波器可能會(huì)導(dǎo)致差的噪底指標(biāo),但在波形顯示中卻不能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)信號(hào)。


提高垂直分辨率 改善測(cè)量精度

圖10:High Res模式下矩形信號(hào)的階躍響應(yīng)


4、5和6系列MSO中的High Res模式一直提供了最低12位的垂直分辨率,在125MS/s或以下采樣率時(shí)提供了高達(dá)16位的垂直分辨率。


ASIC可以觸發(fā)并快速顯示高分辨率樣點(diǎn)


除查看更高分辨率的信號(hào)外,用戶必須能夠放心地捕獲事件。因此,示波器的觸發(fā)系統(tǒng)必須能夠處理更高的分辨率,以一致的方式捕獲顯示的行為。由于TEK049 ASIC實(shí)時(shí)執(zhí)行DSP濾波,使用硬件模塊而不是觸發(fā)系統(tǒng),因此觸發(fā)可以基于處理后的高分辨率樣點(diǎn)。相比之下,傳統(tǒng)HiRes(信號(hào)組平均)方法針對(duì)的是存儲(chǔ)的樣點(diǎn),而不是觸發(fā)信號(hào),因此高頻瞬態(tài)信號(hào)或毛刺可能會(huì)假觸發(fā),在顯示的屏幕上看不到。


把新改進(jìn)的High Res平均和濾波與觸發(fā)緊密集成在一起,還會(huì)改善顯示模式,如FastAcq?波形快速捕獲。在這種模式下,儀器每秒可以捕獲超過500,000個(gè)波形,可以與High Res結(jié)合使用,更好地查看識(shí)別對(duì)性能至關(guān)重要的信號(hào)細(xì)節(jié),如電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證。圖11左側(cè)顯示了FastAcq模式下兩個(gè)邊沿上有噪聲的正弦波假觸發(fā),右側(cè)顯示了打開High Res時(shí)的FastAcq信號(hào)。右側(cè)正在觸發(fā)濾波后的上升沿。


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圖11:FastAcq獨(dú)立于觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用信號(hào)組平均功能,出現(xiàn)假觸發(fā)(左)。FastAcq采用新的High Res方法,濾波觸發(fā)(右)。


總結(jié)


示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號(hào)細(xì)節(jié)。但是,提供這種分辨率并不能只靠增加ADC的位數(shù)。6系列B MSO采用多角度方法,不僅實(shí)現(xiàn)了更高的ADC分辨率,還采用數(shù)字信號(hào)處理、觸發(fā)系統(tǒng)集成、更高的ENOB和低噪聲模擬前端,從而有效地提高了分辨率。

(來(lái)源:泰克科技)


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