解讀低噪聲背后的科學(xué)

低噪聲的重要性，源自電池技術(shù)及低噪聲、低電壓應(yīng)用的行業(yè)發(fā)展大勢(shì)，必須真正實(shí)現(xiàn)低電壓，才能使移動(dòng)設(shè)備中的功率保持在很低的水平，否則電池很容易就耗干了。這些因素正推動(dòng)著所有這些技術(shù)朝著低電壓的方向發(fā)展，精確的測(cè)試和評(píng)估系統(tǒng)成為必須的工具，而只有測(cè)試系統(tǒng)本身保持精確的低噪聲，才能保證我們需要測(cè)量的信號(hào)不被湮沒(méi)在測(cè)試系統(tǒng)本身的噪聲中。這正是業(yè)界普遍面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)。

讓示波器只顯示輸入信號(hào)，而不要摻雜其他的信號(hào)，就需要示波器更純粹地表征信號(hào)。提到最新推出的MSO 6，工程師出身的泰克科技總裁Pat Byrne充滿興奮地說(shuō)：“6系列MSO的關(guān)鍵特色之一，并不僅僅是低噪聲設(shè)計(jì)，而是實(shí)現(xiàn)了高分辨率下的低噪聲，以及帶寬高達(dá)8GHz時(shí)候的低噪聲表現(xiàn)。因此，這樣的采樣頻率，這樣的噪聲性能，這樣的垂直分辨率，真正代表了測(cè)量科學(xué)的前沿水平?！?/p>

MSO6示波器前端低噪放ASIC TEK061實(shí)現(xiàn)了突破性的噪聲性能，與普通示波器相比，噪聲降低約75%（5mV/div，1 GHz時(shí)）。MSO6提供了多個(gè)低噪聲輸入，特別是在最關(guān)鍵的高靈敏度設(shè)計(jì)中，提升了測(cè)量信心。例如，現(xiàn)代嵌入式設(shè)計(jì)要求干凈、精確控制的DC電源，為ASIC和FPGA器件輸送信號(hào)。對(duì)這些應(yīng)用，6系列MSO使得設(shè)計(jì)人員可以以更高分辨率和準(zhǔn)確度測(cè)量DC電源軌道，縮短了解設(shè)計(jì)中電源軌道上高頻影響源所用的時(shí)間。

這里分享了準(zhǔn)確測(cè)量示波器噪聲的七條規(guī)則，篇幅限制，此處只列出三點(diǎn)，查看PDF文件閱讀全文。

1.噪聲必須是測(cè)量出來(lái)的，而不是用眼睛看出來(lái)的。

有儀器廠商的銷售在做演示的時(shí)候，指著屏幕中間的軌跡線說(shuō)：“看，這示波器噪聲看起來(lái)多小”。但實(shí)際上評(píng)估噪聲差異是量化的，而不是純粹用看的。示波器在獲取數(shù)百萬(wàn)個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后進(jìn)行壓縮，顯示在顯示屏幕的像素中。選擇怎樣以看得到的方式壓縮數(shù)據(jù)，怎樣獲得輝度等級(jí)，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。某些方法可能會(huì)把重要的數(shù)據(jù)平滑化，其他方法可能會(huì)過(guò)分顯現(xiàn)噪聲尖峰。也就是說(shuō)，可視表示方法會(huì)受到怎樣?xùn)鸥窕壽E的影響，而這和實(shí)際存在的噪聲一點(diǎn)兒關(guān)系沒(méi)有。噪聲必須是測(cè)量出來(lái)的，而不是用眼睛看出來(lái)的。

2.確保把兩臺(tái)示波器設(shè)置相同的滿刻度電壓，而不是相同的伏/格。

現(xiàn)代示波器，每個(gè)廠商都以不同的方式對(duì)屏幕分格，泰克使用10格，而有些其他品牌示波器用8格。如果8格示波器設(shè)置成100mV/div，那么泰克示波器必須設(shè)置成80mV/div才能進(jìn)行同等比較。也可以把測(cè)得的噪聲除以滿刻度電壓，按百分比測(cè)量噪聲。不管是哪種方式，如果這兩臺(tái)示波器以不同方式對(duì)屏幕分格，都不能直接對(duì)比某個(gè)V/div設(shè)置下的絕對(duì)噪聲。

假設(shè)示波器 X在100mV/div時(shí)的RMS噪聲為3mV，但是屏幕為8格。另一臺(tái)示波器Y在100mV/div時(shí)的RMS噪聲是3.5mV，但是屏幕為10格。示波器 X和示波器 Y哪一臺(tái)的噪聲更高？有人說(shuō)，在100mV/div下，示波器 Y的 “噪聲更高” ，事實(shí)真是這樣嗎？正確的說(shuō)法是，在100mV/div下，示波器 X是8 * 100mV或800mV滿刻度。3mV/800mV = 0.375%噪聲。在100mV/div下，示波器Y有10 * 100mV或1V滿刻度。3.5mV/1V = 0.35%噪聲。因此，示波器 Y在100mV/div下的噪聲較低，盡管其噪聲值看起來(lái)比較高。

大家可以看到，為比較兩臺(tái)示波器在相同伏/格設(shè)置下的噪聲，必須使用滿刻度的百分比，而不是絕對(duì)電壓。如果想使用絕對(duì)電壓，那么滿刻度必須相同。在上面的例子中，示波器 Y應(yīng)設(shè)置成80mV/div才能進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比 (10格 * 80mV/div 等于 8格 * 100mV/div)。

3.不要測(cè)量峰峰值噪聲，而應(yīng)該測(cè)量AC-RMS值

人們一般把示波器置于連續(xù)運(yùn)行模式，測(cè)量峰峰值噪聲。但是，這個(gè)值并不是無(wú)界的，因?yàn)闇y(cè)量運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，這個(gè)值變得越大。如果兩臺(tái)示波器的噪聲相等，那么數(shù)據(jù)處理速度更快的示波器顯示的峰峰值噪聲要高于處理數(shù)據(jù)較慢的示波器。而RMS測(cè)量在統(tǒng)計(jì)上是有效的，沒(méi)有上面的峰峰值問(wèn)題。因此，在我們?cè)u(píng)估示波器的噪聲的時(shí)候，應(yīng)該用專門的AC-RMS測(cè)量，泰克示波器就有直接的AC-RMS選項(xiàng)。