用示波器測量信號時(shí)，會(huì)遇到這樣的場景，在大信號波形上觀察小信號細(xì)節(jié)，要完美匹配測試場景，對示波器的過飽和恢復(fù)時(shí)間即動(dòng)態(tài)范圍有很高的要求，今天我們就來分析一番。

面對大信號波形上觀察小信號細(xì)節(jié)的應(yīng)用場景，有人會(huì)說可以先在大檔位下測量大信號，然后用小檔位下測量小信號，但是這樣做會(huì)存在不少問題，而且很大情況下是需要同時(shí)觀察大小信號的。

首先我們來看一下傳統(tǒng)示波器的模擬結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1   傳統(tǒng)示波器模擬前端框圖

從框架圖中可以知道，如果輸入的是正常范圍的信號，二極管D1不會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)C1不會(huì)被充電。而當(dāng)信號超過正常范圍時(shí)，二極管D1就會(huì)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致C1會(huì)被充電。而信號電壓恢復(fù)正常后，C1需要通過電阻R4放電，直到放電完成整個(gè)電路才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。放電這段時(shí)間的信號就不能被準(zhǔn)確采集了，這種情況下采集波形就會(huì)出現(xiàn)如圖2所示情況。

圖2   傳統(tǒng)示波器退出飽和時(shí)間

圖2是一個(gè)周期為100Hz的方波，通過計(jì)算可以得到，其退出飽和狀態(tài)所需要的時(shí)間是50ms-11.2ms=39.2ms。也是就在這段時(shí)間里的波形都不是正確的波形。為了解決這種測量問題，有兩種方法，一是縮短退出飽和狀態(tài)需要的時(shí)間。二是提升ADC的分辨率。

ZUS系列示波器，采用全新的模擬結(jié)構(gòu)，大大提升了退出飽和狀態(tài)所需要的時(shí)間。針對相同的情況，測試效果如圖3所示。

圖3   ZUS示波器退出飽和時(shí)間

圖3我們測試波形是一個(gè)1KHz的方波，可計(jì)算出我們的過壓恢復(fù)時(shí)間是70us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)示波器。這樣帶來的好處就是對于如幾KHz或者幾KHz以下的波形，其存在的過壓情況就不會(huì)影響測量結(jié)果了。

但是即便示波器的飽和退出時(shí)間我們已經(jīng)做到70us級別，但還是無法滿足如頻率100KHz的開關(guān)信號。這時(shí)就需要從另外一個(gè)方向，就是提升示波器ADC位數(shù)，從而提升示波器的動(dòng)態(tài)范圍。讓原本只能采集到幾個(gè)ADC點(diǎn)的小信號，變成可以采集到幾百個(gè)ADC點(diǎn)的小信號。信號沒變化，但是可以得到的信息更多，結(jié)果也更準(zhǔn)確了。如圖4所示的波形，波形頂部存在一個(gè)突出信號，我們來觀察這個(gè)個(gè)突出部分的細(xì)節(jié)。

圖4   大信號下觀察小信號場景

首先我們用傳統(tǒng)示波器捕獲波形，而后放大對應(yīng)區(qū)域，得到的效果如圖5所示，波形幾乎完全失真變形，無法觀察。

圖5   傳統(tǒng)示波器觀察波形效果

現(xiàn)在我們用ZUS示波器來觀察波形，我們開啟ZOOM放大窗口，將放大區(qū)域選擇到需要觀察的位置。這部分波形就可以被清楚地觀察到了。ZUS示波器不僅有12bit精度，而且在軟件上對ZOOM功能進(jìn)行了升級，不僅可以水平放大，也可以同步垂直放大，如圖6所示波形細(xì)節(jié)一覽無余。

圖6   ZUS示波器觀察波形效果

如果有更加極限的需求，比如大小信號相差幾百倍時(shí)，有沒有什么好方法呢？圖7是一個(gè)5V、1KHz的正弦波，耦合了一個(gè)幅度很小的頻率是113.5K、10Hz的正弦波，由于屏幕分辨率的問題，這個(gè)小信號波形已經(jīng)無法被肉眼觀察到了。

圖7   大信號中夾雜非同頻微小信號

針對上述場景，則可以通過ZUS示波器的FFT分析功能來解決。我們可以打開FFT進(jìn)行分析，從測量結(jié)果中，可以準(zhǔn)確的測量這個(gè)113.5K的小信號的幅度。這是12bitADC才能有的效果。

圖8   利用FFT提取極限小信號

ZUS示波器12bit分辨率另一個(gè)重要的應(yīng)用場景就是環(huán)路測試。隨著ADC位數(shù)提升，其準(zhǔn)確度和一致性都有很好的提升，特別是在高噪聲的情況下。而環(huán)路測試大部分測不準(zhǔn)的原因都是因?yàn)樵肼曁蟆?

圖9和圖10是高環(huán)路增益使用ZUS示波器和ZDS示波器進(jìn)行的測試對比。測試場景是采用20mV激勵(lì)信號，在輸入輸出端口同時(shí)注入100mV的一個(gè)干擾信號。

圖9   ZUS6000測試圖片

圖10   ZDS5000測試圖片

高環(huán)路增益，就意味著此時(shí)的輸入信號被抑制到非常小的地步，甚至小于干擾信號，預(yù)測只有幾十μV。從對比測試中可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)ZUS只有比較小的誤差，而ZDS示波器誤差會(huì)更加明顯。當(dāng)然更高的測試精度會(huì)犧牲一定的測試時(shí)間。

ZUS系列示波器具有很快的過壓恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)具備12bit分辨了以及0.5%的精度?？梢酝昝澜鉀Q大信號下對小信號的測量需求。