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使用示波器进行功率测量不得不知的七个秘诀

日期:2021-06-14 19:27
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摘要:


使用示波器进行功率测量不得不知的七个秘诀

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**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*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,*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“*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、**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。
  *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**。


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**的浮置测量,*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**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*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*灵敏的或接近*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*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*大输入电压,那么就可以获得出色的信号完整性。