使用示波器進(jìn)行功率測(cè)量的7大方法_泰克代理商
示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。
通過(guò)計(jì)算平均值提高測(cè)量分辨率
在某些功率測(cè)量應(yīng)用中，您需要測(cè)量大動(dòng)態(tài)范圍的值，同時(shí)還需要細(xì)致地調(diào)整分辨率，以測(cè)量參數(shù)的微小變化。除了使用高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器之外，您也可以使用其他采集方法來(lái)降低隨機(jī)噪聲，增加測(cè)量的有效動(dòng)態(tài)范圍。例如求平均值和高分辨率采集。
求平均值要求測(cè)量的是重復(fù)信號(hào)。該算法對(duì)跨越多次采集的各時(shí)間段內(nèi)的點(diǎn)求平均值。這樣可以降低隨機(jī)噪聲，為您提供更卓越的垂直分辨率。
垂直分辨率每增加一位，需要計(jì)算多少平均值？答案是每計(jì)算4個(gè)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(shù) = 0.5 log2 N
●N = 計(jì)算平均值的樣本數(shù)
●例如，對(duì)16個(gè)樣本求平均值，垂直分辨率將增加
●位數(shù) = 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(shí)效果好，因?yàn)樵倮^續(xù)增加下去，其他因數(shù)（例如示波器的垂直增益或偏置精度）將起到?jīng)Q定性作用。平均模式的優(yōu)點(diǎn)是，它對(duì)示波器的實(shí)時(shí)帶寬沒(méi)有任何限制。缺點(diǎn)是它要求使用重復(fù)性信號(hào)，并會(huì)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(kāi)關(guān)電源的vds
第2個(gè)方法
選擇避開(kāi)示波器靈敏設(shè)置的探頭
如果您測(cè)量電源的紋波和噪聲幅度，有可能要用到示波器靈敏的或接近靈敏的V/格設(shè)置。這正好處于放大器安全性能范圍的邊緣。雖然測(cè)試儀器的工作可能會(huì)符合技術(shù)指標(biāo)，但是實(shí)際的測(cè)量效果也許還比不上它的“基本”性能。
首先，應(yīng)嘗試使用1:1探頭，而不是使用儀器附帶的標(biāo)準(zhǔn)配置10:1無(wú)源探頭。若使用10:1探頭，不僅示波器的基線本底噪聲會(huì)以10倍增加，而且示波器的小V/格設(shè)置也會(huì)比使用 1:1探頭時(shí)的情況大10倍。這會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍縮小。使用衰減較小的探頭，只要測(cè)量的信號(hào)不超過(guò)示波器的大輸入電壓，那么就可以獲得出色的信號(hào)完整性。
第3個(gè)方法
使用差分探頭進(jìn)行安全、精確的浮置測(cè)量
示波器探頭上的接地引線通過(guò) BNC 連接器的外殼連接到機(jī)箱。出于安全考慮，示波器的機(jī)箱通過(guò)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(chǎn)生沖突。許多令人感興趣的信號(hào)是以電勢(shì)而不是以接地作為參考的（浮置）。電源設(shè)計(jì)人員采用各種方法來(lái)克服這一測(cè)量限制。
常用的方法是，通過(guò)削除電源線的防護(hù)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）。T這種實(shí)踐方法非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗锌赡茉谑静ㄆ鳈C(jī)箱上形成高電壓。此外，使用浮置示波器進(jìn)行測(cè)量，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不精確。
測(cè)量浮置電源信號(hào)的另一種方法是，使用兩個(gè)單端電壓探頭，用通道A的測(cè)量結(jié)果減去通道B的測(cè)量結(jié)果，即得到浮置電源信號(hào)。使用兩個(gè)輸入通道和探頭來(lái)測(cè)量感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。然后使用示波器上的波形數(shù)學(xué)功能，讓兩個(gè)通道上的電信號(hào)相減，得到差分信號(hào)的跡線。
這種方法相對(duì)安全一些，因?yàn)槭静ㄆ魇冀K保持接地。然而當(dāng)共模信號(hào)相對(duì)較小時(shí)，測(cè)量會(huì)受到一定的限制，因?yàn)榇藭r(shí)使用的兩個(gè)探頭輸入通道之間的增益失配，共模抑制比較低，大約不到 20 dB（10:1）。
進(jìn)行安全精確的浮置測(cè)量，好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供較高的共模抑制比，通常達(dá)到 80 dB 或 10,000:1 甚至更高，因此您可以測(cè)量大共模信號(hào)中隱藏的小差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度和高靈敏度。使用動(dòng)態(tài)范圍和帶寬足夠滿足應(yīng)用需求的差分探頭，可進(jìn)行安全和精確的浮置測(cè)量。
第4個(gè)方法
避免探測(cè)耦合了輻射功率的附件
請(qǐng)務(wù)必謹(jǐn)慎使用探測(cè)附件。通用無(wú)源探頭在標(biāo)準(zhǔn)配置中通常提供15厘米長(zhǎng)接地引線和掛鉤探針，這兩種附件可能會(huì)探測(cè)到電源或其他器件所產(chǎn)生的噪聲。此外，長(zhǎng)接地連接往往會(huì)產(chǎn)生電感負(fù)載，給被測(cè)信號(hào)增加振鈴。
第5個(gè)方法
使用交流耦合，去除直流偏置
如果您正重點(diǎn)研究信號(hào)的紋波，可能并不關(guān)心其直流偏置。通常，紋波和噪聲與電源電壓相比是極小的。如果您使用示波器的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)這種偏置進(jìn)行定量測(cè)量，那么在遇到更微小的信號(hào)細(xì)節(jié)時(shí)，可能無(wú)法進(jìn)行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為“交流”，將會(huì)從測(cè)量結(jié)果中去除直流偏置，大限度提高測(cè)量的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。
第6個(gè)方法
使用示波器和探頭限制帶寬
這種降低噪聲、增加動(dòng)態(tài)范圍的方法雖然簡(jiǎn)單，但常常被忽視。電源信號(hào)內(nèi)容與示波器的標(biāo)稱帶寬相比往往低得多（kHz至幾十MHz級(jí)別）。多余的帶寬不會(huì)傳輸任何信號(hào)信息，只會(huì)給測(cè)量帶來(lái)額外的噪聲。
大多數(shù)示波器使用專用的硬件濾波器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題――通常是20至25 MHz低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它不會(huì)影響示波器的更新速率。
另一種方法是使用探頭來(lái)限制帶寬。測(cè)量鏈的帶寬受其“弱一環(huán)”的限制。500 MHz 示波器配備 10 MHz 探頭，其帶寬將會(huì)是 10 MHz。安捷倫提供了多種無(wú)源、有源的電流和差分探頭，總有一款探頭的帶寬會(huì)適合您的特殊測(cè)量。
第7個(gè)方法
使用高分辨率采集提高測(cè)量分辨率
降低噪聲的第2個(gè)方法是高分辨率模式，它不需要使用重復(fù)信號(hào)。Agilent InfiniiVision 3000 X系列等現(xiàn)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(shù)其他數(shù)字化儀類似）。然而與平均模式一樣，高分辨率模式也只能達(dá)到12位的垂直分辨率。在高分辨率模式下捕獲的vds
高分辨率模式是對(duì)同一次采集的連續(xù)點(diǎn)求平均值，而不是對(duì)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)多次采集的點(diǎn)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(shù)量。垂直分辨率位數(shù)的增加由示波器的時(shí)間/格設(shè)置決定。
當(dāng)在較慢時(shí)基范圍狀態(tài)下工作時(shí)，示波器會(huì)連續(xù)過(guò)濾相繼的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將過(guò)濾結(jié)果顯示到顯示屏上。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器深度，也會(huì)同時(shí)增加進(jìn)行平均值計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。高分辨率模式下，掃描速度越快，在屏幕上捕獲的點(diǎn)數(shù)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(diǎn)數(shù)就越多，效果也就越顯著。
按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類
①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。
②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對(duì)直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。
③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒(méi)有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。
④多蹤示波器。具有電子開(kāi)關(guān)和門(mén)控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。
⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。
⑥記憶示波器。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過(guò)程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測(cè)試。
⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上即可顯示波形，又可顯示字符。被測(cè)信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)鍵盤(pán)操作，可對(duì)捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。
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