對于測試儀器來說，精度、可靠性、穩定性及功能是非常重要的幾個指標，這也決定了工程師對測試結果的信心。基于示波器的設計原理，它具有非常高的采樣速率，時間精度可以保證，但很多工程師卻忽略了其幅度的測試精度。

隨著電力電子技術的發展，低功耗器件的大量應用以及更加嚴苛的行業標準約束，工程師對測試的精度越來越關注，開始不滿足于市面上示波器幅度測試的分辨率和精度了。

對于示波器這種測試儀器，如何選擇和設定可以獲得最優的測試精度呢？

圖1. 示波器測試系統示意圖

在進行測量時，您可以把數字示波器看成一個測試系統，來改善測量結果（參照圖1）。在對示波器工作模式、探頭特點、濾波技術及整個系統交互方式有了基本了解之后，您可以改善小信號的測量效果。

為實現高精度測量，必須考慮整條信號路徑，從探頭尖端，到示波器的模擬前端、采樣和數字信號處理。如圖1所示的每個系統單元都會影響測量精度，可以進行優化，以實現最佳結果。

示波器模數轉換器ADC位數

為提高測試精度最理想的方式是提高示波器ADC位數，但是因為ADC采樣率和垂直分辨率性能的互相制約，目前市面上常見的示波器是采用8bit ADC。我們換個角度來看，理論上用滿其垂直的動態范圍，分辨率就是垂直量程/ 256（2^8），如果采用12bit ADC的示波器其分辨率為垂直量程/4096(2^12)。顯而易見，高比特的ADC可以在測試精度上帶來非常大的提升。

現在工程師面臨著很多小信號測試的挑戰，如果您是電源設計的工程師，紋波測試非常重要，過去紋波電壓從幾十到一百多mV到目前只有十幾mV，甚至很多筆記本和手機上小到幾個mV的微小紋波測試。這就對測試用的示波器的分辨率提出嚴峻的挑戰，泰克全新一代示波器其硬件12bit ADC輕松解決微小信號的測試問題。

還有就是疊加在一個大的信號上的小信號測試。為測試到完整的信號，需要選擇一個較大的量程，但是又要保證能測試到微小信號變化，如何能準確測試呢？歸根結底還是考驗示波器垂直分辨率的指標，請參考圖2就非常清晰顯示了其測試效果的對比。↘↘↘

圖2. 不同位數ADC示波器測試小信號對比

泰克公司新4系，5系，6系示波器采用硬件12bit ADC傾力打造無與倫比的垂直分辨率，幫助您準確捕獲微小信號。

示波器前端放大器

示波器信號接入第一部分就是前端放大器，它非常重要。前端放大器是專為微小信號測試而設計的，可以使測試設備有更廣泛的應用。但是前端放大器在放大有用信號的同時也將噪聲放大，理想的情況是選用噪聲系數較小的前置放大器。示波器可檢測的最小信號也主要取決于前置放大器的噪聲。

在泰克全新一代示波器提升了前端放大器的硬件性能，本底噪聲降低30%，從而提升了小信號的測試精度。具體的請參考圖3：

圖3. 泰克新MDO3系示波器和傳統示波器本底噪聲對比

示波器采集模式

在泰克示波器中，“采集模式”一詞指波形數據的原始表示，通常是8位分辨率。所有后續處理操作( 顯示、自動測量、光標、數學和應用) 都基于采集模式定義的信號數據表示。大多數示波器中默認的采集模式是采樣模式。這是最簡單的采集模式，在這種模式下，普通示波器以選擇的采樣率（直到最大采樣率）用8位量值表示波形上的每個點。

在測量低壓小信號時，有兩種采集模式非常重要，具體視波形的可重復性而定，因為它們可以用來改善測量分辨率。

示波器的采樣率

對于當今嵌入式系統調試來說，混合信號已經非常普遍，最近幾年數字信號的速度越來越快，工程師對數字信號處理能力要求越來越高，很多工程師糾結是不是購買專用的邏輯分析儀來進行高速數字信號處理。這里有個問題，市面上很多的示波器都名字為混合信號示波器MSO, 為什么不能用這類儀器來數字信號處理呢？

我們來確認下這個問題，當前市面上的MSO確實有數字信號處理能力，可以選配16路數字信號采集，也具有一定的分析功能，但是仔細確認發現其數字信號采樣能力有很大的限制。一般一臺示波器如果模擬通道的采樣率可以做到5GS/s，而其數字通道的采樣率只有200MS/s，市面上最高數字采樣率到500MS/s。大家都知道采樣率對信號還原，尤其對偶發異常信號捕獲的重要性，所以就目前的市面的MSO系列混合信號示波器來說，會對測試的結果存在疑慮。

泰克新一代示波器MSO4/MSO5系列示波器基于泰克全新的TEK049平臺打造，大大提升了其信號采集及處理速度，每條模擬及數字通道都可以設定高達6.25GS/s 采樣率。讓我們來看看新一代示波器MSO4/MSO5和傳統混合信號示波器的測試對比。

圖4. 不同采樣速率對數字信號細節還原對比

由圖4可以看出，對于現在越來越快的數字信號調試，需要更高的采樣速率捕獲數字信號細節，如果采樣率不夠就如圖4所示會丟失信號的細節，甚至還會顯示完全錯誤的信息。

圖5. MSO4/MSO5高速異常數字信號的捕獲

圖5可以看到一個40MHz的數字信號，其中偶發一個非常小的干擾信號會導致有2nS的快速脈沖，數字采樣率直接導致設定觸發條件的極限，如果是500MS/s 最快的脈沖觸發只能設定在4ns,但是泰克新一代示波器MSO4/MSO5數字信號的時間分辨率提高了12倍，輕松準確的捕獲高速的數字信號。

探頭的選擇與設置至關重要

探頭的作用至關重要，為實現測量的最優結果，必須進行折衷，特別是在進行高精度測量時。有時示波器標配的無源探頭并不是實現最佳精度的解決方案。

1、選擇適當衰減比的探頭。最大限度地降低衰減，使信噪比達到最優。在精確測量中，非常重要的一點是使信號幅度達到最大，同時使外部噪聲達到最小。探頭選擇是關鍵的第一步。

電壓探頭與示波器的輸入阻抗構成電壓分路器（如1X、10X、100X），會衰減輸入信號。1X探頭不會降低或衰減信號，10X探頭則會把輸入信號降低到原始信號幅度的1/10。示波器通過放大信號來補償這種衰減，遺憾的是，示波器也會放大探頭引入的任何噪聲。從信噪比角度來看，最優探頭應該沒有衰減或衰減很低的。

圖6. TPP0502高阻抗無源探頭提供了500 MHz帶寬，但只有2倍衰減。

2、使用短地線。最大限度地降低噪聲耦合。所有電壓測量都是相對于參考源進行的，這個參考源通常是“接地”。準確的測量，特別是低壓測量，尤其依賴到參考電壓的低阻抗路徑。為使信號失真和引入噪聲達到最小，使用的接地線應盡量短。

盡管標準無源探頭上的長地線會方便連接信號，但地線電感會與輸入電容諧振，在快速邊沿上導致振鈴。由探頭尖端和地線構成的大環路面積會把噪聲磁耦合到信號中。此外，地線的感性電抗與開關器件等噪聲源接近，會把噪聲耦合到信號中。最好的解決方案是最大限度地縮短地線長度，并盡可能接近信號端，把它連接到參考點上（如果條件允許建議使用接地彈簧）。

3、使用探頭的硬件濾波。當選擇某些有源探頭時可以選擇性使用內置探頭濾波器降低噪聲。許多有源差分電壓探頭或電流探頭標配帶寬濾波功能。有時為靈活起見，探頭機身內置的帶寬濾波功能提供了多種帶寬設置。

在某些情況下，在選擇其中一個帶寬濾波器時，探頭會與示波器通信，另外還會在示波器前端打開硬件濾波功能。這進一步降低了系統噪聲，有助于提高系統的信噪比。濾掉不想要的噪聲可以查看進一步細節，獲得更高的測量分辨率。

圖7. 左側AC+DC信號。右側去掉了DC分量，成比例縮放AC分量，以改善分辨率。

4、使用探頭的DC偏置來測試小的AC信號。在涉及大電壓時，人身安全及設備可靠性至關重要，以便檢驗最大電壓完全落在測試系統的“絕對”或“非破壞”最大輸入指標內。此外，為準確測量，非常重要的一點是信號要保持在標稱工作范圍內（如有源探頭的線性范圍或動態范圍內）

如果說接近低電平的小信號測量極具挑戰性，那么測量位于大DC電壓信號上的低壓AC信號的難度則要大得多。在電源上進行紋波測量是這種應用的常見實例。進行DC 偏置可能會涉及探頭設置以及示波器前端設置。在DC 偏置上測量低電壓信號最簡單的技術是使用參考地電平的探頭采集整個信號，然后測量AC分量 (圖7)。DC偏置技術不允許AC、信號測量全面利用測量系統的動態范圍，信噪比會很差。

最后劃一遍重點！

隨著電力電子技術，新材料及器件技術的高速發展，當今工程師面臨著，更快，更小，更復雜信號的調試挑戰。更加準確的測試不僅僅體現在測試設備本身的硬件指標，還要考慮整體的測試系統的性能。

一個高精度的示波器測試系統要從信號的整個環節打造，從信號的接入，前端放大器，模數轉換及后續的數據處理分析。