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測試測量

每位工程師在使用示波器進行功率測量時都必須知道的7大秘訣

激光制造商情 來源:激光制造商情2012-06-26 我要評論(0 )   

盡量擴大測量動態(tài)范圍在探測中優(yōu)化信號完整性 1) 通過計算平均值提高測量分辨率 2) 使用高分辨率采集提高測量分辨率 3) 使用交流耦合去除直流偏置 4) 使用示波器和探頭...

盡量擴大測量動態(tài)范圍在探測中優(yōu)化信號完整性
1)    通過計算平均值提高測量分辨率
2)    使用高分辨率采集提高測量分辨率
3)    使用交流耦合去除直流偏置
4)    使用示波器和探頭限制帶寬
5)    使用差分探頭進行安全、精確的浮置測量
6)    避免探測耦合了輻射功率的附件
7)    選擇避開示波器最靈敏設置的探頭

 


1,通過計算平均值提高測量分辨率

     在某些功率測量應用中,您需要測量大動態(tài)范圍的值,同時還需要細致地調整分辨率,以測量參數(shù)的微小變化。除了使用高分辨率數(shù)字轉換器之外,您也可以使用其他采集方法來降低隨機噪聲,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信號。該算法對跨越多次采集的各時間段內的點求平均值。這樣可以降低隨機噪聲,為您提供更卓越的垂直分辨率。

    垂直分辨率每增加一位,需要計算多少平均值?答案是每計算 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,因為再繼續(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)點是,它對示波器的實時帶寬沒有任何限制。缺點是它要求使用重復性信號,并會降低波形更新速率。

 

    

 圖 1:在正常采集模式下捕獲的開關電源的 Vds       在正常平均模式下捕獲的 Vds#p#副標題#e#

2,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到 12 位的垂直分辨率。

 高分辨率模式是對同一次采集的連續(xù)點求平均值,而不是對某個時間段內多次采集的點求平均值。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/格設置決定。

 當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,并將過濾結果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲器深度,也會同時增加進行平均值計算的點數(shù)。高分辨率模式下,掃描速度越快,在屏幕上捕獲的點數(shù)就越少,因此效果就越差。相反,掃描速度越慢,在屏幕上捕獲的點數(shù)就越多,效果也就越顯著。

3,使用交流耦合,去除直流偏置

如果您正重點研究信號的紋波,可能并不關心其直流偏置。通常,紋波和噪聲與電源電壓相比是極小的。如果您使用示波器的動態(tài)范圍對這種偏置進行定量測量,那么在遇到更微小的信號細節(jié)時,可能無法進行深入分析。將示波器的耦合設置為交流,將會從測量結果中去除直流偏置,最大限度提高測量的線性度和動態(tài)范圍。

4,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。電源信號內容與示波器的標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 25 MHz 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。500 MHz 示波器配備 10 MHz 探頭,其帶寬將會是 10 MHz。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您的特殊測量。

5,使用差分探頭進行安全、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箱。出于安全考慮,示波器的機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)。電源設計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)。T這種實踐方法非常危險,因為它有可能在示波器機箱上形成高電壓。此外,使用浮置示波器進行測量,可能導致測量結果不精確。

 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 的測量結果減去通道 B 的測量結果,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。然后使用示波器上的波形數(shù)學功能,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,因為示波器始終保持接地。然而當共模信號相

 

對較小時,測量會受到一定的限制,因為此時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 20 dB10:1)。

 進行安全精確的浮置測量,最好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供較高的共模抑制比,通常達到

80 dB 10,000:1 甚至更高,因此您可以測量大共模信號中隱藏的小差分信號,實現(xiàn)適當?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用需求的差分探頭,可進行安全和精確的浮置測量。

#p#副標題#e#

6,避免探測耦合了輻射功率的附件

請務必謹慎使用探測附件。通用無源探頭在標準配置中通常提供 15 厘米長接地引線和掛鉤探針,這兩種附件可能會探測到電源或其他器件所產生的噪聲。此外,長接地連接往往會產生電感負載,給被測信號增加振鈴。

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的匝數(shù),可降低電感負載。

7,選擇避開示波器最靈敏設置的探頭

如果您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指標,但是實際的測量效果也許還比不上它的基本性能。

 首先,應嘗試使用

1:1 探頭,而不是使用儀器附帶的標準配置 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/格設置也會比使用 1:1 探頭時的情況大 10 倍。這會導致信噪比降低,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。

 

 

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