如何提高示波器测量小信号精度

数字示波器工作原理如图所示,模拟信号通过输入通道进入示波器即会通过一个放大器,我们称之为垂直增益放大器。该放大器是处于ADC之前,对模拟信号进行放大(若信号过大,则通过衰减器进行衰减)。经过放大或衰减的信号再通过ADC才转化成数字信号,然后通过处理最终显示在示波器屏幕上面。

图1 数字示波器基本结构
垂直灵敏度

众所周知,进行波形测量时需要调整垂直旋钮,使波形尽量占满示波器整个显示栅格。这样做的目的是使测量当中的量化噪声尽量小。因此,在进行小信号测量时,比如毫伏级的信号,我们需要将垂直灵敏度设置到最小才能尽可能的降低量化误差的影响。由于各个示波器厂家的垂直增益放大器各不相同,因此体现出来的放大性能也不一样,垂直灵敏度所能达到的最小值也不一样。

触发

我们还需要对信号进行测量肯定需要一个稳定的触发,尤其是对于小信号。因为在信噪比小的时候噪声或干扰较大,往往不能形成稳定的触发,这就需要一个稳定的能抗噪声干扰的触发系统。值得注意的是我们ZDS2024使用的是数字触发器使用全数字处理技术,不存在物理通路,不受外在因素(器件特性、环境温度等)影响,因此触发抖动非常小,波形显示稳定性高。并且触发灵敏度调节方便,可适应于各种场合,非常有用。我们对比了几家同行的示波器,可以通过触发点的抖动情况看出。

图2 某其他品牌3000系列示波器的触发点稳定情况
图3 某其他品牌4000系列示波器的触发点稳定情况
图4 ZDS2022示波器的触发点稳定情况
底噪

测量精度是受多方面影响的,比如本底噪声就是其中很重要的一个因素,特别是对于小信号测量。举个例子:如果示波器本底噪声过大,淹没了小信号,那此时即使用再好的测量手段,量化误差再小也是测量不到信号的,因为在输入ADC之前的模拟前端,信号就已经“消失”在本底噪声之中了。本底噪声主要受示波器模拟前端设计影响。优秀的模拟前端设计可以将示波器本底噪声降至最低,这样就可以在测量小幅值信号的时候,给测量带来最小的影响。

图5 某其他品牌示波器的底噪Pk-Pk值为1.66mV
图6 ZDS2022的底噪Pk-Pk值为580uV,在小信号测试时候非常有优势

所以,对于信号的测量精度,需要综合各方面的因素来看。

我们利用Keysight 33600A信号源发生一个10KHz,5mV峰峰值的正弦波,对比一下我们ZDS2022示波器和同行示波器的测试效果。

图7 ZDS2022的测试值为5.28Mv,和信号源偏差0.28mV
图8 某品牌3000系列示波器测试值为5.65mV,和信号源偏差0.65mV