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解读低噪声背后的科学

更新时间:2018-09-27 03:09      点击次数:8 次

  低噪声的重要性,源自电池技术及低噪声、低电压应用的行业发展大势,必须真正实现低电压,才能使移动设备中的功率保持在很低的水平,否则电池很容易就耗干了。这些因素正推动着所有这些技术朝着低电压的方向发展,精确的测试和评估系统成为必须的工具,而只有测试系统本身保持精确的低噪声,才能保证我们需要测量的信号不被湮没在测试系统本身的噪声中。这正是业界普遍面临的测试挑战。

  让示波器只显示输入信号,而不要掺杂其他的信号,就需要示波器更纯粹地表征信号。提到最新推出的MSO 6,工程师出身的泰克科技总裁Pat Byrne充满兴奋地说:“6系列MSO的关键特色之一,并不仅仅是低噪声设计,而是实现了高分辨率下的低噪声,以及带宽高达8GHz时候的低噪声表现。因此,这样的采样频率,这样的噪声性能,这样的垂直分辨率,真正代表了测量科学的前沿水平。”

  MSO6示波器前端低噪放ASIC TEK061实现了突破性的噪声性能,与普通示波器相比,噪声降低约75%(5mV/div,1 GHz时)。MSO6提供了多个低噪声输入,特别是在最关键的高灵敏度设计中,提升了测量信心。例如,现代嵌入式设计要求干净、精确控制的DC电源,为ASIC和FPGA器件输送信号。对这些应用,6系列MSO使得设计人员可以以更高分辨率和准确度测量DC电源轨道,缩短了解设计中电源轨道上高频影响源所用的时间。

  1. 噪声必须是测量出来的,而不是用眼睛看出来的。

  有仪器厂商的销售在做演示的时候,指着屏幕中间的轨迹线说:“看,这示波器噪声看起来多小”。但实际上评估噪声差异是量化的,而不是纯粹用看的。示波器在获取数百万个模数转换后的数据点,然后进行压缩,显示在显示屏幕的像素中。选择怎样以看得到的方式压缩数据,怎样获得辉度等级,是一个非常复杂的过程。某些方法可能会把重要的数据平滑化,其他方法可能会过分显现噪声尖峰。也就是说,可视表示方法会受到怎样栅格化轨迹的影响,而这和实际存在的噪声一点儿关系没有。噪声必须是测量出来的,而不是用眼睛看出来的。

  2. 确保把两台示波器设置相同的满刻度电压,而不是相同的伏/格。

  现代示波器,每个厂商都以不同的方式对屏幕分格,泰克使用10格,而有些其他品牌示波器用8格。如果8格示波器设置成100mV/div,那么泰克示波器必须设置成80mV/div才能进行同等比较。也可以把测得的噪声除以满刻度电压,按百分比测量噪声。不管是哪种方式,如果这两台示波器以不同方式对屏幕分格,都不能直接对比某个V/div设置下的绝对噪声。

  假设示波器 X在100mV/div时的RMS噪声为3mV,但是屏幕为8格。另一台示波器Y在100mV/div时的RMS噪声是3.5mV,但是屏幕为10格。示波器 X和示波器 Y哪一台的噪声更高?有人说,在100mV/div下,示波器 Y的 “噪声更高” ,事实真是这样吗?正确的说法是,在100mV/div下,示波器 X是8 * 100mV或800mV满刻度。3mV/800mV = 0.375%噪声。在100mV/div下,示波器Y有10 * 100mV或1V满刻度。3.5mV/1V = 0.35%噪声。因此,示波器 Y在100mV/div下的噪声较低,尽管其噪声值看起来比较高。

  大家可以看到,为比较两台示波器在相同伏/格设置下的噪声,必须使用满刻度的百分比,而不是绝对电压。如果想使用绝对电压,那么满刻度必须相同。在上面的例子中,示波器 Y应设置成80mV/div才能进行准确对比 (10格 * 80mV/div 等于 8格 * 100mV/div)。

  3. 不要测量峰峰值噪声,而应该测量AC-RMS值

  人们一般把示波器置于连续运行模式,测量峰峰值噪声。但是,这个值并不是无界的,因为测量运行时间越长,这个值变得越大。如果两台示波器的噪声相等,那么数据处理速度更快的示波器显示的峰峰值噪声要高于处理数据较慢的示波器。而RMS测量在统计上是有效的,没有上面的峰峰值问题。因此,在我们评估示波器的噪声的时候,应该用专门的AC-RMS测量,泰克示波器就有直接的AC-RMS选项。

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