用示波器测量信号时,会遇到这样的场景,在大信号波形上观察小信号细节,要完美匹配测试场景,对示波器的过饱和恢复时间即动态范围有很高的要求,今天我们就来分析一番。
面对大信号波形上观察小信号细节的应用场景,有人会说可以先在大档位下测量大信号,然后用小档位下测量小信号,但是这样做会存在不少问题,而且很大情况下是需要同时观察大小信号的。
首先我们来看一下传统示波器的模拟结构图,如图1所示。
图1 传统示波器模拟前端框图
从框架图中可以知道,如果输入的是正常范围的信号,二极管D1不会导通,此时C1不会被充电。而当信号超过正常范围时,二极管D1就会导通,从而导致C1会被充电。而信号电压恢复正常后,C1需要通过电阻R4放电,直到放电完成整个电路才能恢复到正常状态。放电这段时间的信号就不能被准确采集了,这种情况下采集波形就会出现如图2所示情况。
图2 传统示波器退出饱和时间
图2是一个周期为100Hz的方波,通过计算可以得到,其退出饱和状态所需要的时间是50ms-11.2ms=39.2ms。也是就在这段时间里的波形都不是正确的波形。为了解决这种测量问题,有两种方法,一是缩短退出饱和状态需要的时间。二是提升ADC的分辨率。
ZUS系列示波器,采用全新的模拟结构,大大提升了退出饱和状态所需要的时间。针对相同的情况,测试效果如图3所示。
图3 ZUS示波器退出饱和时间
图3我们测试波形是一个1KHz的方波,可计算出我们的过压恢复时间是70us,远远优于传统示波器。这样带来的好处就是对于如几KHz或者几KHz以下的波形,其存在的过压情况就不会影响测量结果了。
但是即便示波器的饱和退出时间我们已经做到70us级别,但还是无法满足如频率100KHz的开关信号。这时就需要从另外一个方向,就是提升示波器ADC位数,从而提升示波器的动态范围。让原本只能采集到几个ADC点的小信号,变成可以采集到几百个ADC点的小信号。信号没变化,但是可以得到的信息更多,结果也更准确了。如图4所示的波形,波形顶部存在一个突出信号,我们来观察这个个突出部分的细节。
图4 大信号下观察小信号场景
首先我们用传统示波器捕获波形,而后放大对应区域,得到的效果如图5所示,波形几乎完全失真变形,无法观察。
图5 传统示波器观察波形效果
现在我们用ZUS示波器来观察波形,我们开启ZOOM放大窗口,将放大区域选择到需要观察的位置。这部分波形就可以被清楚地观察到了。ZUS示波器不仅有12bit精度,而且在软件上对ZOOM功能进行了升级,不仅可以水平放大,也可以同步垂直放大,如图6所示波形细节一览无余。
图6 ZUS示波器观察波形效果
如果有更加极限的需求,比如大小信号相差几百倍时,有没有什么好方法呢?图7是一个5V、1KHz的正弦波,耦合了一个幅度很小的频率是113.5K、10Hz的正弦波,由于屏幕分辨率的问题,这个小信号波形已经无法被肉眼观察到了。
图7 大信号中夹杂非同频微小信号
针对上述场景,则可以通过ZUS示波器的FFT分析功能来解决。我们可以打开FFT进行分析,从测量结果中,可以准确的测量这个113.5K的小信号的幅度。这是12bitADC才能有的效果。
图8 利用FFT提取极限小信号
ZUS示波器12bit分辨率另一个重要的应用场景就是环路测试。随着ADC位数提升,其准确度和一致性都有很好的提升,特别是在高噪声的情况下。而环路测试大部分测不准的原因都是因为噪声太大。
图9和图10是高环路增益使用ZUS示波器和ZDS示波器进行的测试对比。测试场景是采用20mV激励信号,在输入输出端口同时注入100mV的一个干扰信号。
图9 ZUS6000测试图片
图10 ZDS5000测试图片
高环路增益,就意味着此时的输入信号被抑制到非常小的地步,甚至小于干扰信号,预测只有几十μV。从对比测试中可以发现,此时ZUS只有比较小的误差,而ZDS示波器误差会更加明显。当然更高的测试精度会牺牲一定的测试时间。
ZUS系列示波器具有很快的过压恢复时间,同时具备12bit分辨了以及0.5%的精度。可以完美解决大信号下对小信号的测量需求。
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- 来 源:ZTMI致远仪器
- 编辑:清风
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