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。

关键词:ZUS系列示波器

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来 源：ZTMI致远仪器

编辑：清风

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