示波器 小信号测量

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1 引言

本文主要讨论使用示波器进行小信号测量相关的性能参数，如：垂直灵敏度、本底噪声等，并结合相关测试进行说明。

2 小信号测量

工程师在使用示波器时经常会遇到测量小信号的应用，其中zui关心的可能就是测量精度问题，那么如何才能进行的小信号测量，特别是在信噪比小的情况下。我们今天就讨论与小信号测量的相关示波器参数，并进行相关测试。

首先，需要对信号进行测量肯定需要一个稳定的触发，尤其是对于小信号。因为在信噪比小的时候噪声或干扰较大，往往不能形成稳定的触发，这就需要一个稳定的能抗噪声干扰的触发系统。目前，数字触发与广泛使用的传统模拟触发系统相比，在这方面就具有极大的优势。关于数字触发，本文不作详细介绍。在稳定触发之后，跟小信号测量精度相关的参数主要讨论垂直灵敏度和本底噪声。

图1 传统触发方式不能适应小信噪比信号的触发                    

图2 数字触发能保证稳定触发

2.1 垂直灵敏度

图3 数字示波器工作原理框图

数字示波器工作原理如图3所示，模拟信号通过输入通道进入示波器即会通过一个放大器，我们称之为垂直增益放大器。该放大器是处于ADC之前，对模拟信号进行放大（若信号过大，则通过衰减器进行衰减）。经过放大或衰减的信号再通过ADC才转化成数字信号，然后通过处理zui终显示在示波器屏幕上面。与垂直增益放大器对应的示波器面板操作其实就是垂直区域的旋钮，可能大家对于这个旋钮比对放大器更为熟悉。

因此，对于信号的测量精度，在模拟部分，特别是垂直增益放大器就起了至关重要的作用。当然，ADC的量化误差对信号测量精度同样有影响，不过在之前的文章中有讨论，我们就不累述。垂直增益放大器相关指标主要涉及到垂直灵敏度、DC增益精度等。DC增益精度体现了放大器的线性性能，用百分比表示。R&S示波器DC增益精度手册给出的值一般在±1.5%，但实测值还会更小。对于小信号测量，垂直灵敏度更为重要。它体现了对信号的放大能力，单位用 mV/div或 V/div表示。*，进行波形测量时需要调整垂直旋钮，使波形尽量占满示波器整个显示栅格。示波器厂家也一般推荐使波形至少达到80%以上的垂直区域。这样做的目的是使测量当中的量化噪声尽量小。比如，在2mV/div时测量结果的量化误差肯定会比1mV/div时大一倍。因此，在进行小信号测量时，比如毫伏级甚至微伏级的信号，我们需要将垂直灵敏度设置到zui小才能尽可能的降低量化误差的影响。由于各个示波器厂家的垂直增益放大器各不相同，因此体现出来的放大性能也不一样，垂直灵敏度所能达到的zui小值也不一样。目前业内能达到的zui小垂直灵敏度为1mV/div。但这一指标并非所有厂家都能达到。有的垂直旋钮可以调到1mV/div这样的小量程，但却不是放大器真正的放大，而是通过显示放大（Magnification）的方式，类似于Zoom。图5可以看出，这种显示放大到达的小量程设置，虽然图片放大了，但量化误差还是大量程下，如10mV/div或5mV/div的等级。

图4 大量程设置下的波形                                  

图5类似zoom方式的小量程设置

另外有些厂家垂直增益放大器的能力可以达到1mV/div的等级，并且无显示放大，但却有带宽限制，即如果量程设置到小量程，如1mV/div，带宽就会被限制到200MHz，2mV/div时，带宽被限制到500MHz。这样对于一些高频的小信号测试就显得无能为力。

R&S公司采用自己研发的优异性能垂直增益放大器，保证示波器在达到zui小1mV/div的灵敏度（非显示放大）同时也能保证示波器在全带宽情况下工作。如图6所示，该示波器为R&S RTO1044示波器，带宽为4GHz。可以看出，在1mV/div灵敏度是，4GHz示波器带宽不受任何限制。那么R&S示波器到底能测多小的信号呢，我们做了如图7所示实验，可以看出在信号Amplitude值小至约40μV时，R&S示波器同样能够轻松测量。那能不能测更小的信号呢，感兴趣的读者可以继续尝试：）

图6 全带宽下1mV/div                                             

图7 小信号测试（约40μV ！！！）

2.2 本底噪声

提到测量精度，很多读者可能想到的就是ADC量化位数，量化位数越高，精度也就越高。的确，ADC位数越高，量化误差也就越小。但测量精度是受多方面影响的，比如本底噪声就是其中很重要的一个因素，特别是对于小信号测量。举个例子：如果示波器本底噪声过大，淹没了小信号，那此时即使用再高位数ADC的示波器，量化误差再小也是测量不到信号的，因为在输入ADC之前的模拟前端，信号就已经“消失”在本底噪声之中了。所以，对于信号的测量精度，需要综合各方面的因素来看。

本底噪声主要受示波器模拟前端设计影响。的模拟前端设计可以将示波器本底噪声降至zui低。

图8 R&S RTO示波器模拟前端设计

R&S公司的示波器模拟前端均由具有多年工作经验的德国射频专家设计，因此能很好的将本底噪声降至zui低。图8为R&S RTO示波器带电磁屏蔽的模拟前端电路。为了验证R&S示波器本底噪声性能，我们与某厂家的12位示波器分别在时域和频域做了比较。

时域方面，两台相同带宽示波器均在zui小量程下进行底噪比较。R&S RTO1004示波器垂直为10格刻度，底噪值为80μV。某厂家12位示波器垂直为8格刻度，底噪值为114.46μV，如果换算成10格刻度来比较，那么底噪应为114.46μV × 1.25 = 143μV。由此可见，RTO底噪更胜*。

图9  RTO 600M 本底噪声80μV

频域方面，我们均采用10MHz频率，功率-110dBm的正弦波作为输入。从图10可以看出，R&S示波器凭借极低的底噪声可以清晰的测量该微弱信号。而某厂家的示波器虽然为12位ADC，但由于信号淹没于噪声当中，对该信号无法进行测量。大家有兴趣可以做相关对比实验。

图10 RTO测试-110dBm信号