在很多應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員和測(cè)試測(cè)量工程師需要進(jìn)行寬動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，以便在信號(hào)幅度較大的情況中查看非常小的信號(hào)。此類應(yīng)用包括電源完整性保證、雷達(dá)和聲納之類的回波定位和測(cè)距系統(tǒng)、核磁共振 （NMR） 和磁共振成像 （MRI） 之類的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，以及采用超聲波的無(wú)損檢測(cè)。

　　在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和原型設(shè)計(jì)階段，示波器當(dāng)然是進(jìn)行這些測(cè)量的首選工具，但這些主要受限于示波器前端的垂直分辨率。例如，8 位示波器的動(dòng)態(tài)范圍為 256:1，因此對(duì)于 1 V 范圍，理論最小信號(hào)為 3.9 毫伏 （mV）。若要在 3.3 V 總線上查看毫伏級(jí)紋波信號(hào)，則需要更高的靈敏度和偏移范圍。另外，當(dāng)使用高衰減探針來(lái)防止電路負(fù)載效應(yīng)時(shí)，信號(hào)電平會(huì)在示波器輸入端產(chǎn)生衰減，除非儀器具有很高的分辨率，否則將難以測(cè)量。

　　問(wèn)題在于，在有較大信號(hào)或偏移的情況下，要實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度，必須使用更高分辨率的示波器，但此類示波器通常很昂貴，低噪聲輸入的高質(zhì)量示波器尤其如此。僅有較高分辨率而沒(méi)有較低本底噪聲，這將毫無(wú)用處。

　　設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員需要的是：價(jià)格合理且前端本底噪聲很低的 12 位示波器。若要滿足這種高分辨率、低前端噪聲和低成本的需求，一種解決方案就是 Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列高清示波器。本文將討論高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量的困難、高清示波器的作用，以及如何有效地將其用于高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。

　　示波器垂直分辨率

　　示波器垂直分辨率是指示波器可以處理的最高輸入信號(hào)與可以檢測(cè)到的最小信號(hào)幅度之比。分辨率一般由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的位數(shù)來(lái)量化。分辨率等于 2 的位數(shù)次冪。因此，8 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 28 或 256:1。12 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 4096:1，是 8 位轉(zhuǎn)換器的 16 倍。

　　多年來(lái)，在較高帶寬示波器中，數(shù)字示波器提供 8 位分辨率。這是因?yàn)?ADC 做了工程折中，使得以位數(shù)衡量的分辨率與 ADC 的最大采樣率成反比。大約八年前，Teledyne LeCroy 率先推出 12 位示波器，稱為高清或“HD”示波器。該公司的高清產(chǎn)品線最近新增了 WaveSurfer 4000HD 系列。該系列包括四款示波器，帶寬分別為 200、350、500 和 1000 兆赫茲 （MHz）。這些示波器的采樣率皆為每秒 5 千兆樣本 （GS/s），這對(duì)于 12 位示波器而言是非常可觀的。內(nèi)置混合信號(hào)數(shù)字輸入、DVM、函數(shù)發(fā)生器和頻率計(jì)數(shù)器使這種多儀器產(chǎn)品更加完善。該系列以合理的價(jià)格提供所有這些功能以及 12 位分辨率。

　　當(dāng)然，提高示波器分辨率需要的不僅僅是簡(jiǎn)單地改變 ADC，還需要增強(qiáng)示波器前端的信噪比 （SNR），避免靈敏的 ADC 充滿噪聲。采用 8 位前端的 12 位示波器仍然是 8 位示波器。但是，WaveSurfer 4000HD 示波器系列已成功實(shí)現(xiàn) HD 概念。12 位垂直分辨率加上低噪聲前端，實(shí)現(xiàn)了 12 位性能。對(duì)于任何給定幅度范圍，其靈敏度實(shí)際上是 8 位示波器的 16 倍。

　　12 位與 8 位測(cè)量比較

　　高清示波器旨在用于波形動(dòng)態(tài)范圍較高的測(cè)量應(yīng)用。這些測(cè)量既有高幅度信號(hào)分量，又有低信號(hào)電平。下面以超聲波測(cè)距儀等應(yīng)用為例。它發(fā)送一個(gè)高幅度脈沖，然后等待目標(biāo)反射回來(lái)的低幅度回波。高幅度信號(hào)決定了示波器垂直放大器的所需電壓范圍。分辨率和系統(tǒng)噪聲決定了可測(cè)量的最小回波信號(hào)（圖 1）。

圖 1：12 位和 8 位垂直分辨率所呈現(xiàn)的同一超聲信號(hào)。上方跡線包括完整信號(hào)的兩個(gè)版本，彼此重疊。下方跡線顯示了波形的縮放部分。雖然高幅度信號(hào)分量看起來(lái)幾乎沒(méi)有什么區(qū)別，但是針對(duì)較低電平信號(hào)時(shí)，12 位分辨率的優(yōu)勢(shì)明顯。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　上方網(wǎng)格以 12 位和 8 位分辨率顯示采集的信號(hào)（相互重疊）。重疊的波形之間幾乎看不到什么差異。中間網(wǎng)格顯示了沿水平和垂直方向擴(kuò)展的 12 位波形。下方網(wǎng)格顯示了 8 位波形的同一部分。8 位版本中低電平信號(hào)的細(xì)節(jié)損失非常明顯。另請(qǐng)注意，12 位版本中的信號(hào)峰值顯示出明顯的差異，8 位版本中則沒(méi)有這些差異。

　　高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量應(yīng)用

　　高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量包括所有回波定位和測(cè)距應(yīng)用，例如雷達(dá)、聲納和 LiDAR。NMR 和 MRI 等很多醫(yī)學(xué)成像技術(shù)都是基于相似的技術(shù)：讓高電平發(fā)射脈沖從身體上彈回，繼而獲取并分析發(fā)射信號(hào)所引起的回聲或受激發(fā)射。同樣，基于超聲的技術(shù)（如無(wú)損檢測(cè) （NDT））使用反射的超聲脈沖，來(lái)發(fā)現(xiàn)固體材料中的裂紋和缺陷。

　　電源完整性測(cè)量也需要高動(dòng)態(tài)范圍示波器，這種測(cè)量在 1 V 到 48 V 或更高的總線電壓上測(cè)量噪聲和紋波等毫伏級(jí)小信號(hào)。

　　考慮利用甚至簡(jiǎn)單的超聲波測(cè)距儀或電子卷尺測(cè)量信號(hào)（圖 2）。每次測(cè)量時(shí)，超聲波測(cè)距儀發(fā)出五個(gè)脈沖，間隔時(shí)間約為 16.8 ms。Teledyne LeCroy 的 12 位示波器 WaveSurfer 4104HD 不是捕獲這些脈沖之間的死區(qū)時(shí)間，而是使用序列模式采集，將示波器存儲(chǔ)器分成用戶選擇的段數(shù)，本例中為 5 段。

圖 2：Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4104HD 示波器用于采集 40 千赫茲 （kHz） 超聲波測(cè)距儀信號(hào)。上方顯示每次測(cè)量五個(gè)脈沖，間隔時(shí)間約為 16.8 毫秒 （ms）。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　每段獲取一個(gè)發(fā)射脈沖并為觸發(fā)點(diǎn)加上時(shí)間戳。上方跡線是采集的波形，每段都有標(biāo)記?？s放跡線（下方網(wǎng)格）顯示了一個(gè)選定的片段，本例中為第一段。屏幕下方的表格顯示了時(shí)間戳（即每次觸發(fā)的時(shí)間）、自第 1 段以來(lái)的時(shí)間以及各段之間的時(shí)間。發(fā)射脈沖的峰峰值幅度為 362 mV，而反射回波的峰峰值幅度只有 21.8 mV。正是這種幅度差異使其成為高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。圖中使用在屏幕上可以看到的回波幅度，但 12 位分辨率以低于示波器像素呈現(xiàn)的幅度采集該信號(hào)，如圖 1 所示。

　　電源完整性測(cè)量也需要高動(dòng)態(tài)范圍的示波器。紋波電壓測(cè)量要求能夠測(cè)量電源總線上的毫伏信號(hào)。在圖 3 示例中，上方跡線測(cè)量的是 5 V 總線上的紋波。紋波電壓為 45 mV峰峰值，位于 4.98 V 的總線電壓上，分別采用 WaveSurfer 4104HD 測(cè)量參數(shù) P2 和 P1 直接讀取。下方跡線是紋波電壓的快速傅里葉變換 （FFT），顯示了一個(gè)富含諧波的頻譜，基頻分量為 982 Hz。

圖 3：子卡 5 V 總線上的電源完整性測(cè)量顯示了紋波電壓和紋波的 FFT。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　除高分辨率外，這種應(yīng)用還要求示波器具有良好的偏移范圍。在此例中，示波器具有 ±8 V 偏移范圍，刻度為 10 mV。偏移范圍與示波器的垂直范圍成比例。如果需要更大的偏移范圍，Teledyne LeCroy 的 RP4030 導(dǎo)軌探針具有 30 V 的偏移范圍。導(dǎo)軌探針專門(mén)用于探測(cè)低阻抗電源軌，具有很大的內(nèi)置偏移、高輸入阻抗、低衰減和噪聲等特性。這款探針的帶寬為 4 GHz，衰減為 1.2，輸入阻抗為 50 kΩ。

　　高清示波器還能處理更高電壓的測(cè)量，例如開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器 （SMPC） 中遇到的電壓。SMPC 包括電源、逆變器和工業(yè)控制器，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)波形的占空比或頻率來(lái)控制功率。主要測(cè)量包括功率開(kāi)關(guān)器件（通常是場(chǎng)效應(yīng)晶體管 FET）上的電壓和通過(guò)其中的電流。為了幫助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行 SMPC 測(cè)量，Teledyne LeCroy 提供了專用軟件以及電壓和電流探針。典型測(cè)量如圖 4 所示。

圖 4：在特征化 SMPC 的損耗時(shí)，需要測(cè)量功率開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流，然后計(jì)算功率開(kāi)關(guān)周期中各階段的功率損耗。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　電流（粉色跡線）采用 Teledyne LeCroy 的 CP030A 型電流探針測(cè)量。該鉗式探針的最大電流輸入為 30 安培 （A），帶寬為 50 MHz。電壓波形（米色跡線）采用 Teledyne LeCroy 的 HVP1306 高壓差分探針測(cè)量。該探針的額定最大 CATIII 電壓為 1000 V，帶寬為 120 MHz。WaveSurfer 示波器可以識(shí)別這兩種探針，并根據(jù)探針的增益和測(cè)量單位自動(dòng)縮放測(cè)得的波形。

　　功率測(cè)量軟件可自動(dòng)執(zhí)行最常見(jiàn)的 SMPC 測(cè)量。圖 4 將器件功率耗散計(jì)算顯示為黃色跡線。這是根據(jù)整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電流和電壓波形計(jì)算得出?；诓杉牟ㄐ?，測(cè)量參數(shù)分離并顯示了開(kāi)啟、導(dǎo)通、關(guān)斷和斷態(tài)的損耗，每個(gè)區(qū)域以疊加顏色清楚地區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，還顯示了所有區(qū)域的總損耗以及開(kāi)關(guān)頻率。除圖中所示的器件測(cè)量外，其他可用測(cè)量有助于特征化控制回路動(dòng)態(tài)、線路功率和性能特性（如效率）。

　　當(dāng)計(jì)算功率 FET 的漏源電阻 （Rds） 時(shí)，12 位分辨率在功率測(cè)量中也很有用。這需要在波形上測(cè)量大約 1 到 2 V 的電壓，峰峰值擺幅為 400 V 左右。WaveSurfer 4000HD 系列與所有兼容該示波器的帶寬范圍的 Teledyne LeCroy 探針兼容。

　　廣泛的應(yīng)用為“重負(fù)荷”示波器設(shè)定更高標(biāo)準(zhǔn)

　　WaveSurfer 4000HD 系列的應(yīng)用范圍并不限于高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用。產(chǎn)品本身就是一種出色的示波器，還能為“重負(fù)荷”示波器設(shè)定更高標(biāo)準(zhǔn)。該系列是低速串行數(shù)據(jù)故障排除的優(yōu)秀選擇，提供分析包和探針，支持 SPI、I2C、基于 UART 的鏈路等串行總線以及 LIN、CAN、FLEXRAY 等汽車總線。

　　串行總線分析要求能夠采集和解碼總線協(xié)議，以及讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容（圖 6）。顏色標(biāo)示的覆蓋部分顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)包。紅色覆蓋部分表示地址數(shù)據(jù)，而藍(lán)色覆蓋部分表示數(shù)據(jù)包。地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容出現(xiàn)在覆蓋部分內(nèi)。解碼信息以二進(jìn)制、十六進(jìn)制或 ASCII 格式提供。顯示屏底部的表格匯總了采集到的事務(wù)，顯示了相對(duì)于觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間、地址長(zhǎng)度、地址、方向（讀或?qū)懀?、?shù)據(jù)包數(shù)量和數(shù)據(jù)內(nèi)容。觸發(fā)可以基于活動(dòng)、地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容或地址與數(shù)據(jù)的組合。

　　Teledyne LeCroy 的 ZD200 有源差分探針是測(cè)量串行數(shù)據(jù)的出色選擇。該 10:1 探針的輸入阻抗為 1 MΩ，帶寬為 200 MHz，可以處理高達(dá) 20 V 的差分電壓和高達(dá) 50 V 的共模電壓。該器件特別適用于差分總線，例如 CAN。

圖 6：I2C 總線的低速串行觸發(fā)和解碼具有讀取總線數(shù)據(jù)內(nèi)容的能力。圖中顯示了針對(duì)讀操作和寫(xiě)操作的 I2C 總線信號(hào)的采集和解碼。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　總結(jié)

　　雖然 8 位示波器將永遠(yuǎn)占有一席之地，但有很多應(yīng)用本可以使用真正 12 位示波器的高清晰度和寬動(dòng)態(tài)范圍，不過(guò)相對(duì)較高的成本使其無(wú)法為許多設(shè)計(jì)人員和測(cè)試工程師所用。Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列示波器在解決這個(gè)問(wèn)題上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而且入門(mén)成本低得多。

　　此產(chǎn)品具有 12 位垂直分辨率，最大采樣率為 5 GS/s，本底噪聲很低，能夠提供高清測(cè)量。此外，還能與 Teledyne LeCroy 探針和分析軟件包兼容。因此，這些示波器為高性價(jià)比的高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量打開(kāi)了大門(mén)，并將其應(yīng)用從研究實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到工程師的工作臺(tái)或工廠車間。