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        使用示波器進行功率測量不得不知的七個秘訣

        日期:2022-05-26 00:44
        瀏覽次數:2511
        摘要:


        使用示波器進行功率測量不得不知的七個秘訣

        第1個秘訣:通過計算平均值提高測量分辨率
          在某些功率測量應用中,常常需要測量大動態范圍的值,同時還需要細致地調整分辨率,以測量參數的微小變化。除了使用高分辨率數字轉換器之外,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,提供更**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= 0.5 log2 N,N = 計算平均值的樣本數。例如,對16個樣本求平均值,垂直分辨率將增加:位數= 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*好,因為再繼續增加下去,其他因數(例如示波器的垂直增益或偏置精度)將起到決定性作用。平均模式的優點是,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。在正常采集模式下與平均模式下捕獲的開關電源的Vds分別如圖1和圖2所示。

        圖1 在正常采集模式下捕獲的開關電源的Vds


        圖2 在正常平均模式下捕獲的Vds


        第2個秘訣: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(與大多數其他數字化儀類似)。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。在高分辨率模式下捕獲的Vds如圖3所示。
          高分辨率模式是對同一次采集的連續點求平均值,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,直接控制平均值數量。垂直分辨率位數的增加由示波器的時間/格設置決定。


        圖3 在高分辨率模式下捕獲的Vds

        當在較慢時基范圍狀態下工作時,示波器會連續過濾相繼的數據點,并將過濾結果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數據的存儲器深度,也會同時增加進行平均值計算的點數。高分辨率模式下,掃描速度越快,在屏幕上捕獲的點數就越少,因此效果就越差。相反,掃描速度越慢,在屏幕上捕獲的點數就越多,效果也就越顯著。
          第3個秘訣:使用交流耦合去除直流偏置
          如果工程師正在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。如果使用示波器的動態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,*大限度提高測量的線性度和動態范圍。

         

        第4個秘訣:使用示波器和探頭限制帶寬
          這種降低噪聲、增加動態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。
          大多數示波器使用專用的硬件濾波器來解決這個問題,通常是20至25MHz低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個優勢是,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“*弱一環”的限制。500MHz示波器配備10MHz探頭,其帶寬將會是10MHz.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特殊測量。
          第5個秘訣:使用差分探頭進行安全、**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。
          *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)。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**。


        圖4 使用差分探頭或差分放大器進行浮置測量更安全


        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點,然后使用示波器上的波形數學功能,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20dB(10:1)。
          進行安全**的浮置測量,*好使用差分探頭或差分放大器(圖4)。差分探頭提供較高的共模抑制比,通常達到80dB或 10000:1甚至更高,因此可以測量大共模信號中隱藏的小差分信號,實現適當的測量精度和高靈敏度。使用動態范圍和帶寬足夠滿足應用需求的差分探頭,可進行安全和**的浮置測量。
          第6個秘訣: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(圖5),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。


        圖5 測試中務必謹慎使用探測附件

        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,可降低電感負載。


        第7個秘訣:選擇避開示波器*靈敏設置的探頭
          如果測量電源的紋波和噪聲幅度,有可能要用到示波器*靈敏的或接近*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*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*大輸入電壓,那么就可以獲得出色的信號完整性。

        粵公網安備 44030902000332號

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