12位与8位测量比较，高动态范围测量应用

作者：Art Pini

在很多应用中，设计人员和测试测量工程师需要进行宽动态范围测量，以便在信号幅度较大的情况中查看非常小的信号。此类应用包括电源完整性保证、雷达和声纳之类的回波定位和测距系统、核磁共振（NMR） 和磁共振成像 （MRI）之类的医学成像系统，以及采用超声波的无损检测。

在系统开发和原型设计阶段，示波器当然是进行这些测量的首选工具，但这些主要受限于示波器前端的垂直分辨率。例如，8 位示波器的动态范围为 256:1，因此对于 1 V 范围，理论最小信号为 3.9 毫伏 （mV）。若要在 3.3 V 总线上查看毫伏级纹波信号，则需要更高的灵敏度和偏移范围。另外，当使用高衰减探针来防止电路负载效应时，信号电平会在示波器输入端产生衰减，除非仪器具有很高的分辨率，否则将难以测量。

问题在于，在有较大信号或偏移的情况下，要实现更高的灵敏度，必须使用更高分辨率的示波器，但此类示波器通常很昂贵，低噪声输入的高质量示波器尤其如此。仅有较高分辨率而没有较低本底噪声，这将毫无用处。

设计人员和开发人员需要的是：价格合理且前端本底噪声很低的 12 位示波器。若要满足这种高分辨率、低前端噪声和低成本的需求，一种解决方案就是 Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列高清示波器。本文将讨论高动态范围测量的困难、高清示波器的作用，以及如何有效地将其用于高动态范围测量。

示波器垂直分辨率

示波器垂直分辨率是指示波器可以处理的最高输入信号与可以检测到的最小信号幅度之比。分辨率一般由模数转换器 （ADC） 的位数来量化。分辨率等于 2 的位数次幂。因此，8 位转换器的分辨率为 28 或 256:1。12 位转换器的分辨率为 4096:1，是 8 位转换器的 16 倍。

多年来，在较高带宽示波器中，数字示波器提供 8 位分辨率。这是因为 ADC 做了工程折中，使得以位数衡量的分辨率与 ADC 的最大采样率成反比。大约八年前，Teledyne LeCroy 率先推出 12 位示波器，称为高清或“HD”示波器。该公司的高清产品线最近新增了 WaveSurfer 4000HD 系列。该系列包括四款示波器，带宽分别为 200、350、500 和 1000 兆赫兹（MHz）。这些示波器的采样率皆为每秒 5 千兆样本 （GS/s），这对于 12 位示波器而言是非常可观的。内置混合信号数字输入、DVM、函数发生器和频率计数器使这种多仪器产品更加完善。该系列以合理的价格提供所有这些功能以及 12 位分辨率。

当然，提高示波器分辨率需要的不仅仅是简单地改变 ADC，还需要增强示波器前端的信噪比 （SNR），避免灵敏的 ADC 充满噪声。采用 8 位前端的 12 位示波器仍然是 8 位示波器。但是，WaveSurfer 4000HD 示波器系列已成功实现 HD 概念。12 位垂直分辨率加上低噪声前端，实现了 12 位性能。对于任何给定幅度范围，其灵敏度实际上是 8 位示波器的 16 倍。

12 位与 8 位测量比较

高清示波器旨在用于波形动态范围较高的测量应用。这些测量既有高幅度信号分量，又有低信号电平。下面以超声波测距仪等应用为例。它发送一个高幅度脉冲，然后等待目标反射回来的低幅度回波。高幅度信号决定了示波器垂直放大器的所需电压范围。分辨率和系统噪声决定了可测量的最小回波信号（图 1）。

图 1：12 位和 8 位垂直分辨率所呈现的同一超声信号。上方迹线包括完整信号的两个版本，彼此重叠。下方迹线显示了波形的缩放部分。虽然高幅度信号分量看起来几乎没有什么区别，但是针对较低电平信号时，12 位分辨率的优势明显。（图片来源：Digi-Key Electronics）

上方网格以 12 位和 8 位分辨率显示采集的信号（相互重叠）。重叠的波形之间几乎看不到什么差异。中间网格显示了沿水平和垂直方向扩展的 12 位波形。下方网格显示了 8 位波形的同一部分。8 位版本中低电平信号的细节损失非常明显。另请注意，12 位版本中的信号峰值显示出明显的差异，8 位版本中则没有这些差异。

高动态范围测量应用

高动态范围测量包括所有回波定位和测距应用，例如雷达、声纳和 LiDAR。NMR 和 MRI 等很多医学成像技术都是基于相似的技术：让高电平发射脉冲从身体上弹回，继而获取并分析发射信号所引起的回声或受激发射。同样，基于超声的技术（如无损检测（NDT））使用反射的超声脉冲，来发现固体材料中的裂纹和缺陷。

电源完整性测量也需要高动态范围示波器，这种测量在 1 V 到 48 V 或更高的总线电压上测量噪声和纹波等毫伏级小信号。

考虑利用甚至简单的超声波测距仪或电子卷尺测量信号（图 2）。每次测量时，超声波测距仪发出五个脉冲，间隔时间约为 16.8 ms。Teledyne LeCroy 的 12 位示波器 WaveSurfer 4104HD 不是捕获这些脉冲之间的死区时间，而是使用序列模式采集，将示波器存储器分成用户选择的段数，本例中为 5 段。

图 2：Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4104HD 示波器用于采集 40 千赫兹 （kHz） 超声波测距仪信号。上方显示每次测量五个脉冲，间隔时间约为 16.8 毫秒（ms）。（图片来源：Digi-Key Electronics）

每段获取一个发射脉冲并为触发点加上时间戳。上方迹线是采集的波形，每段都有标记。缩放迹线（下方网格）显示了一个选定的片段，本例中为第一段。屏幕下方的表格显示了时间戳（即每次触发的时间）、自第 1 段以来的时间以及各段之间的时间。发射脉冲的峰峰值幅度为 362 mV，而反射回波的峰峰值幅度只有 21.8 mV。正是这种幅度差异使其成为高动态范围测量。图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现的幅度采集该信号，如图 1 所示。

电源完整性测量也需要高动态范围的示波器。纹波电压测量要求能够测量电源总线上的毫伏信号。在图 3 示例中，上方迹线测量的是 5 V 总线上的纹波。纹波电压为 45 mV峰峰值，位于 4.98 V 的总线电压上，分别采用 WaveSurfer 4104HD 测量参数 P2 和 P1 直接读取。下方迹线是纹波电压的快速傅里叶变换 （FFT），显示了一个富含谐波的频谱，基频分量为 982 Hz。

图 3：子卡 5 V 总线上的电源完整性测量显示了纹波电压和纹波的 FFT。（图片来源：Digi-Key Electronics）

除高分辨率外，这种应用还要求示波器具有良好的偏移范围。在此例中，示波器具有 ±8 V 偏移范围，刻度为 10 mV。偏移范围与示波器的垂直范围成比例。如果需要更大的偏移范围，Teledyne LeCroy 的 RP4030 导轨探针具有 30 V 的偏移范围。导轨探针专门用于探测低阻抗电源轨，具有很大的内置偏移、高输入阻抗、低衰减和噪声等特性。这款探针的带宽为 4 GHz，衰减为 1.2，输入阻抗为 50 kΩ。

高清示波器还能处理更高电压的测量，例如开关模式电源转换器 （SMPC） 中遇到的电压。SMPC 包括电源、逆变器和工业控制器，通过调整开关波形的占空比或频率来控制功率。主要测量包括功率开关器件（通常是场效应晶体管 FET）上的电压和通过其中的电流。为了帮助开发人员进行 SMPC 测量，Teledyne LeCroy 提供了专用软件以及电压和电流探针。典型测量如图 4 所示。

图 4：在特征化 SMPC 的损耗时，需要测量功率开关器件的电压和电流，然后计算功率开关周期中各阶段的功率损耗。（图片来源：Digi-Key Electronics）

电流（粉色迹线）采用 Teledyne LeCroy 的 CP030A 型电流探针测量。该钳式探针的最大电流输入为 30 安培 （A），带宽为 50 MHz。电压波形（米色迹线）采用 Teledyne LeCroy 的 HVP1306 高压差分探针测量。该探针的额定最大 CATIII 电压为 1000 V，带宽为 120 MHz。WaveSurfer 示波器可以识别这两种探针，并根据探针的增益和测量单位自动缩放测得的波形。

功率测量软件可自动执行最常见的 SMPC 测量。图 4 将器件功率耗散计算显示为黄色迹线。这是根据整个开关周期的电流和电压波形计算得出。基于采集的波形，测量参数分离并显示了开启、导通、关断和断态的损耗，每个区域以叠加颜色清楚地区分开来。此外，还显示了所有区域的总损耗以及开关频率。除图中所示的器件测量外，其他可用测量有助于特征化控制回路动态、线路功率和性能特性（如效率）。

当计算功率 FET 的漏源电阻 （Rds）时，12 位分辨率在功率测量中也很有用。这需要在波形上测量大约 1 到 2 V 的电压，峰峰值摆幅为 400 V 左右。WaveSurfer 4000HD 系列与所有兼容该示波器的带宽范围的 Teledyne LeCroy 探针兼容。

广泛的应用为“重负荷”示波器设定更高标准

WaveSurfer 4000HD 系列的应用范围并不限于高动态范围应用。产品本身就是一种出色的示波器，还能为“重负荷”示波器设定更高标准。该系列是低速串行数据故障排除的优秀选择，提供分析包和探针，支持 SPI、I2C、基于 UART 的链路等串行总线以及 LIN、CAN、FLEXRAY 等汽车总线。

串行总线分析要求能够采集和解码总线协议，以及读取数据内容（图 6）。颜色标示的覆盖部分显示了每个数据包。红色覆盖部分表示地址数据，而蓝色覆盖部分表示数据包。地址和数据内容出现在覆盖部分内。解码信息以二进制、十六进制或 ASCII 格式提供。显示屏底部的表格汇总了采集到的事务，显示了相对于触发点的时间、地址长度、地址、方向（读或写）、数据包数量和数据内容。触发可以基于活动、地址、数据内容或地址与数据的组合。

Teledyne LeCroy 的 ZD200 有源差分探针是测量串行数据的出色选择。该 10:1 探针的输入阻抗为 1 MΩ，带宽为 200 MHz，可以处理高达 20 V 的差分电压和高达 50 V 的共模电压。该器件特别适用于差分总线，例如 CAN。

图 6：I2C 总线的低速串行触发和解码具有读取总线数据内容的能力。图中显示了针对读操作和写操作的 I2C 总线信号的采集和解码。（图片来源：Digi-Key Electronics）

总结

虽然 8 位示波器将永远占有一席之地，但有很多应用本可以使用真正 12 位示波器的高清晰度和宽动态范围，不过相对较高的成本使其无法为许多设计人员和测试工程师所用。Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列示波器在解决这个问题上取得了长足的进步，而且入门成本低得多。

此产品具有 12 位垂直分辨率，最大采样率为 5 GS/s，本底噪声很低，能够提供高清测量。此外，还能与 Teledyne LeCroy 探针和分析软件包兼容。因此，这些示波器为高性价比的高动态范围测量打开了大门，并将其应用从研究实验室扩展到工程师的工作台或工厂车间。