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影响低功耗测量的限制因素

大西洋仪器网  2019-02-22 16:58   点击 480

实现出色的低功耗测量涉及许多因素。有些是示波器的固有因素,有些与探头有关。电流探头是低功耗测量的基础。因为功率等于电压乘以电流 (P = V x I),对于许多低功耗应用,电压是恒定的,所以通过电流测量结果便可计算出功率。传统电流探头通常夹在电线周围,通过霍尔效应、变压器技术或结合这两种方法来测量电流值,并在示波器上显示。低功耗测量对测试提出了多方面挑战。动态范围 (受噪声影响) 和灵敏度是两个最大的挑战。传统的电流探头动态范围有限,总动态范围由探头本身及其连接的示波器决定。

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●噪声

示波器的固有噪声对其显示微小信号细节有很大影响。量程设置越大,示波器的绝对噪声越大。量程设置越小,示波器的绝对噪声越低。示波器用户将会永远看不到示波器噪声之下的信号细节。示波器本底噪声值通常由示波器厂商提供和公布。不过,电流探头插入示波器后,噪声电平将会增加。对于自身信号完整性很好的示波器,总体噪声通常更多取决于探头而不是示波器本身。只要被测信号超过示波器及所连探头的噪声电平,用户就能看到其波形。如果噪声超过了测量系统的最小分辨率,那么噪声就会成为低功耗测量的制约因素。

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电流探头的噪声通常比示波器更大。示波器测试系统自身总体噪声的降低,可不可以降低,多大程度上降低,是实施低功耗测量的关键步骤。

限制带宽是降低噪声的一种方法,电流探头的频率响应对带宽有限制。例如,有的电流探头具有 3 MHz 的带宽,这时打开示波器的 20 MHz 带宽限制,虽然无法进一步降低总体带宽,但是可以消除某些多余的宽带噪声。

如果被测信号是严格周期性信号,那么可以采用平均采集方式以将被测信号中的噪声降低。这种求平均值的方法对降噪非常有效,求平均值的次数越多,降噪效果越好。用户需要牢记,平均采集模式只适用于严格周期性信号,它虽然可以影响显示的波形,但无法降低由示波器触发电路传过来的信号噪声。

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如果信号是非周期性信号,那么可以采用高分辨率模式,来降低显示的波形噪声。高分辨率模式支持单次采集,对波形中相邻的采样点去平均值,起到平滑滤波的作用,以降低噪声。高分辨率模式需要过采样技术的支持,适用于非周期性信号,且可以与平均采集方式结合使用。高分辨率模式的缺点是,如果示波器的实际采样率设置不是远高于带宽,那么总体带宽会下降。

●分辨率

示波器分辨率是限制查看小电流信号的另一个因素。分辨率是示波器在某个特定量程设置下能够测量的最小电流值。电流测量分辨率等于全屏电流量程值除以示波器量化级数。配备 8 位 ADC 的示波器可提供 28 (即256) 个量化级数。配备 10 位 ADC 的示波器可提供 210 (即1024) 个量化级数。

上图中的信号显示了手机从省电模式切换到较大功率状态,再返回睡眠模式的波形变化。要捕获该信号示波器必须重新设置量程以捕获最大功率电平。在本例中,垂直刻度设置为 200 mA/格,量程为 8 格即 1.6 A。对于 8 位 ADC,分辨率等于 1.6 A 除以 28 (256 个量化级数),即 6.25 mA。小于此值的信号细节被噪声淹没,无法观察到,需要重新设置垂直刻度以捕获省电模式下的信号。而对于 10 位 ADC,分辨率等于1.6 A 除以 210 (1024 个量化级数),即 1.56 mA,分辨率比 8 比特示波器好 4 倍,在 200 mA/格设置下,不能观察到的是1.56 mA 以下的信号。

除了示波器模数转换器的量化级数外,示波器的垂直刻度设置对分辨率也有影响。例如,放大波形使其占满整个示波器显示屏,可以最充分地利用示波器的模数转换器 (ADC)。如果信号只占据 8 比特示波器垂直显示高度的一半,那么您其实将本是 8 比特的 ADC 只用到 7 比特,分辨率因此而降低。如果将波形放大到占据整个量程,就可以充分利用示波器 ADC 的 8 比特分辨率。要获得最佳分辨率,工程师必须使波形显示在屏幕之内的前提下,使用最小的垂直刻度设置。

ADC示波器前端体系结构及使用的探头决定了示波器硬件支持的最小垂直设置。所有示波器的垂直设置都有一个转折点,超过这个点,绝对噪声就不再下降。相反,过了这个点,噪声比预想的要大很多,即使通过示波器上的旋钮选择更小的设置,也无法降低噪声。示波器厂商通常将这个点视为转折点,在该转折点后用软件放大信号,这时将示波器的垂直设置调为更小值,只能在显示效果上放大被测信号,但无法像用户期待的那样提高分辨率。以使用 50 Ω 输入阻抗的示波器为例,在使用 1:1 电流探头为例,大部分示波器硬件支持的最小设置是 10 mA/格,在这之下,都是采用软件对被测信号放大,纯属显示效果。


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