示波器进行功率测量时的7大秘诀

　　在进行功率测量时，工程师选用的测量仪器，除了要有较大的测量动态范围，还要注意在探测中优化信号完整性。本文总结了每位工程师在使用示波器进行功率测量时必须知道的七大秘诀，下面将对每条秘诀进行详细讨论。

　　第1个秘诀：通过计算平均值提高测量分辨率

　　在某些功率测量应用中，常常需要测量大动态范围的值，同时还需要细致地调整分辨率，以测量参数的微小变化。除了使用高分辨率数字转换器之外，也可以使用其他采集方法来降低随机噪声，增加测量的有效动态范围。例如求平均值和高分辨率采集。

　　求平均值要求测量的是重复信号。该算法对跨越多次采集的各时间段内的点求平均值。这样可以降低随机噪声，提供更卓越的垂直分辨率。

　　垂直分辨率每增加一位，需要计算多少平均值？答案是每计算4个样本平均值，便可将垂直分辨率增加1位。原理如下：

　　增加的位数= 0.5 log2 N，N = 计算平均值的样本数。例如，对16个样本求平均值，垂直分辨率将增加：位数= 0.5 log2 16 = 2.因此，有效的垂直分辨率为8 + 2 = 10 位。

　　这种算法在垂直分辨率为12位时效果最好，因为再继续增加下去，其他因数（例如示波器的垂直增益或偏置精度）将起到决定性作用。平均模式的优点是，它对示波器的实时带宽没有任何限制。缺点是它要求使用重复性信号，并会降低波形更新速率。在正常采集模式下与平均模式下捕获的开关电源的Vds分别如图1和图2所示。

 

图1 在正常采集模式下捕获的开关电源的Vds

 

图2 在正常平均模式下捕获的Vds

　　第2个秘诀：使用高分辨率采集提高测量分辨率

　　降低噪声的第2个方法是高分辨率模式，它不需要使用重复信号。Agilent InfiniiVision 3000 X系列等现代化示波器在正常采集模式下可提供8位垂直分辨率（与大多数其他数字化仪类似）。然而与平均模式一样，高分辨率模式也只能达到12位的垂直分辨率。在高分辨率模式下捕获的Vds如图3所示。

　　高分辨率模式是对同一次采集的连续点求平均值，而不是对某个时间段内多次采集的点求平均值。在高分辨率模式中，您不能像在平均模式中那样，直接控制平均值数量。垂直分辨率位数的增加由示波器的时间/格设置决定。

 

图3 在高分辨率模式下捕获的Vds

当在较慢时基范围状态下工作时，示波器会连续过滤相继的数据点，并将过滤结果显示到显示屏上。增加屏幕上数据的存储器深度，也会同时增加进行平均值计算的点数。高分辨率模式下，扫描速度越快，在屏幕上捕获的点数就越少，因此效果就越差。相反，扫描速度越慢，在屏幕上捕获的点数就越多，效果也就越显着。

　　第3个秘诀：使用交流耦合去除直流偏置

　　如果工程师正在重点研究信号的纹波，可能并不关心其直流偏置。通常，纹波和噪声与电源电压相比是极小的。如果使用示波器的动态范围对这种偏置进行定量测量，那么在遇到更微小的信号细节时，可能无法进行深入分析。将示波器的耦合设置为“交流”，将会从测量结果中去除直流偏置，最大限度提高测量的线性度和动态范围。

　　第4个秘诀：使用示波器和探头限制带宽

　　这种降低噪声、增加动态范围的方法虽然简单，但常常被忽视。电源信号内容与示波器的标称带宽相比往往低得多（kHz至几十MHz级别）。多余的带宽不会传输任何信号信息，只会给测量带来额外的噪声。

　　大多数示波器使用专用的硬件滤波器来解决这个问题，通常是20至25MHz低通滤波器。硬件滤波器与软件滤波器相比的一个优势是，它不会影响示波器的更新速率。

　　另一种方法是使用探头来限制带宽。测量链的带宽受其“最弱一环”的限制。500MHz示波器配备10MHz探头，其带宽将会是10MHz.安捷伦提供了多种无源、有源的电流和差分探头，总有一款探头的带宽会适合特殊测量。

　　第5个秘诀：使用差分探头进行安全、精确的浮置测量

　　示波器探头上的接地引线通过BNC连接器的外壳连接到机箱。出于安全考虑，示波器的机箱通过电源线的接地插头连接到接地参考面。示波器与电源的接地方式不同，两者之间可能产生冲突。许多令人感兴趣的信号是以电势而不是以接地作为参考的（浮置）。电源设计人员采用各种方法来克服这一测量限制。

　　最常用的方法是，通过削除电源线的防护接地插头，或在电源线路中使用隔离变压器，使示波器“浮置”（隔离）。这种实践方法非常危险，因为它有可能在示波器机箱上形成高电压。此外，使用浮置示波器进行测量，可能导致测量结果不精确。

 

图4 使用差分探头或差分放大器进行浮置测量更安全

　　测量浮置电源信号的另一种方法是，使用两个单端电压探头，用通道A的测量结果减去通道B的测量结果，即得到浮置电源信号。使用两个输入通道和探头来测量感兴趣的信号节点，然后使用示波器上的波形数学功能，让两个通道上的电信号相减，得到差分信号的迹线。

　　这种方法相对安全一些，因为示波器始终保持接地。然而当共模信号相对较小时，测量会受到一定的限制，因为此时使用的两个探头输入通道之间的增益失配，共模抑制比较低，大约不到20dB（10:1）。

　　进行安全精确的浮置测量，最好使用差分探头或差分放大器（图4）。差分探头提供较高的共模抑制比，通常达到80dB或 10000:1甚至更高，因此可以测量大共模信号中隐藏的小差分信号，实现适当的测量精度和高灵敏度。使用动态范围和带宽足够满足应用需求的差分探头，可进行安全和精确的浮置测量。

　　第6个秘诀：避免探测耦合了辐射功率的附件

　　请务必谨慎使用探测附件。通用无源探头在标准配置中通常提供15厘米长接地引线和挂钩探针（图5），这两种附件可能会探测到电源或其他器件所产生的噪声。此外，长接地连接往往会产生电感负载，给被测信号增加振铃。

 

图5 测试中务必谨慎使用探测附件

反之，较小的探针、较短的接地连接，例如使用电路板上的BNC适配器或卡口式接地引线可以显着减少探测到的噪声，其原理是通过尽量减少连接的匝数，可降低电感负载。

　　第7个秘诀：选择避开示波器最灵敏设置的探头

　　如果测量电源的纹波和噪声幅度，有可能要用到示波器最灵敏的或接近最灵敏的V/格设置，这正好处于放大器安全性能范围的边缘。虽然测试仪器的工作可能会符合技术指标，但实际的测量效果也许还比不上它的“基本”性能。

 

　　首先，应尝试使用1:1探头，而不是使用仪器附带的标准配置10:1无源探头。若使用10:1探头，不仅示波器的基线本底噪声会以10倍增加，而且示波器的最小V/格设置也会比使用1:1探头时的情况大10倍。这会导致信噪比降低，测量的动态范围缩小。使用衰减较小的探头，只要测量的信号不超过示波器的最大输入电压，那么就可以获得出色的信号完整性。