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泰有聊】技術篇-連載第二篇:泰克大咖解讀低噪聲背後的科學

文字:[大][中][小] 2018-10-9    浏覽次數:546    

準确測量示波器噪聲的七條規則

低噪聲的重要性,源自電池技術及低噪聲、低電壓應用的行業發展大勢,必須真正實現低電壓,才能使移動設備中的功率保持在很低的水平,否則電池很容易就耗幹了。這些因素正推動着所有這些技術朝着低電壓的方向發展,精确的測試和評估系統成為必須的工具,而隻有測試系統本身保持精确的低噪聲,才能保證我們需要測量的信号不被湮沒在測試系統本身的噪聲中。這正是業界普遍面臨的測試挑戰。

讓示波器隻顯示輸入信号,而不要摻雜其他的信号,就需要示波器更純粹地表征信号。提到最新推出的MSO 6,工程師出身的泰克科技總裁Pat Byrne充滿興奮地說:“6系列MSO的關鍵特色之一,并不僅僅是低噪聲設計,而是實現了高分辨率下的低噪聲,以及帶寬高達8GHz時候的低噪聲表現。因此,這樣的采樣頻率,這樣的噪聲性能,這樣的垂直分辨率,真正代表了測量科學的前沿水平。”

MSO6示波器前端低噪放ASIC TEK061實現了突破性的噪聲性能,與普通示波器相比,噪聲降低約75%5mV/div1 GHz時)。MSO6提供了多個低噪聲輸入,特别是在最關鍵的高靈敏度設計中,提升了測量信心。例如,現代嵌入式設計要求幹淨、精确控制的DC電源,為ASICFPGA器件輸送信号。對這些應用,6系列MSO使得設計人員可以以更高分辨率和準确度測量DC電源軌道,縮短了解設計中電源軌道上高頻影響源所用的時間。

這裡分享了準确測量示波器噪聲的七條規則,篇幅限制,此處隻列出三點,查看PDF文件閱讀全文。

1.  噪聲必須是測量出來的,而不是用眼睛看出來的。

有儀器廠商的銷售在做演示的時候,指着屏幕中間的軌迹線說:“看,這示波器噪聲看起來多小”。但實際上評估噪聲差異是量化的,而不是純粹用看的。示波器在獲取數百萬個模數轉換後的數據點,然後進行壓縮,顯示在顯示屏幕的像素中。選擇怎樣以看得到的方式壓縮數據,怎樣獲得輝度等級,是一個非常複雜的過程。某些方法可能會把重要的數據平滑化,其他方法可能會過分顯現噪聲尖峰。也就是說,可視表示方法會受到怎樣栅格化軌迹的影響,而這和實際存在的噪聲一點兒關系沒有。噪聲必須是測量出來的,而不是用眼睛看出來的。

2.  确保把兩台示波器設置相同的滿刻度電壓,而不是相同的伏/格。

現代示波器,每個廠商都以不同的方式對屏幕分格,泰克使用10格,而有些其他品牌示波器用8格。如果8格示波器設置成100mV/div,那麼泰克示波器必須設置成80mV/div才能進行同等比較。也可以把測得的噪聲除以滿刻度電壓,按百分比測量噪聲。不管是哪種方式,如果這兩台示波器以不同方式對屏幕分格,都不能直接對比某個V/div設置下的絕對噪聲。

假設示波器 X100mV/div時的RMS噪聲為3mV,但是屏幕為8格。另一台示波器Y100mV/div時的RMS噪聲是3.5mV,但是屏幕為10格。示波器 X和示波器 Y哪一台的噪聲更高?有人說,在100mV/div下,示波器 Y “噪聲更高” ,事實真是這樣嗎?正确的說法是,在100mV/div下,示波器 X8 * 100mV800mV滿刻度。3mV/800mV = 0.375%噪聲。在100mV/div下,示波器Y10 * 100mV1V滿刻度。3.5mV/1V = 0.35%噪聲。因此,示波器 Y100mV/div下的噪聲較低,盡管其噪聲值看起來比較高。

大家可以看到,為比較兩台示波器在相同伏/格設置下的噪聲,必須使用滿刻度的百分比,而不是絕對電壓。如果想使用絕對電壓,那麼滿刻度必須相同。在上面的例子中,示波器 Y應設置成80mV/div才能進行準确對比 (10 * 80mV/div 等于 8 * 100mV/div)

3.  不要測量峰峰值噪聲,而應該測量AC-RMS

人們一般把示波器置于連續運行模式,測量峰峰值噪聲。但是,這個值并不是無界的,因為測量運行時間越長,這個值變得越大。如果兩台示波器的噪聲相等,那麼數據處理速度更快的示波器顯示的峰峰值噪聲要高于處理數據較慢的示波器。而RMS測量在統計上是有效的,沒有上面的峰峰值問題。因此,在我們評估示波器的噪聲的時候,應該用專門的AC-RMS測量,泰克示波器就有直接的AC-RMS選項。

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