示波器進行功率測量時的7大秘訣

在進行功率測量時，工程師選用的測量儀器，除了要有較大的測量動態范圍，還要注意在探測中優化信號完整性。本文總結了每位工程師在使用示波器進行功率測量時必須知道的七大秘訣，下面將對每條秘訣進行詳細討論。

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，提供更卓越的垂直分辨率。

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位時效果最好，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，最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。測量鏈的帶寬受其最弱一環的限制。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、精確的浮置測量

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。

最常用的方法是，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精確。

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)。

進行安全精確的浮置測量，最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，可進行安全和精確的浮置測量。