在某些功率測量應(yīng)用中，您需要測量較大的動態(tài)范圍值和精細(xì)的分辨率，以測量參數(shù)中的微小變化。除了高分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，您還可以使用其他采集方法來降低隨機噪聲并增加測量的有效動態(tài)范圍，例如平均計算和高分辨率采集。

求平均值法要求測量信號必須是重復(fù)信號。該算法計算在每個時間段內(nèi)多次收集的點的平均值。

這減少了隨機噪音，并為您提供更高的垂直分辨率。

垂直分辨率每增加一位，需要計算多少平均值？答案是每計算 4 個采樣平均值，便可將垂直分辨率增加 1 位。原理如下：

增加的位數(shù) = 0.5 log2 N

N = 計算平均值的采樣數(shù)

例如，對 16 個采樣求平均值，垂直分辨率將增加：

位數(shù) = 0.5 log2 16 = 2

因此，有效垂直分辨率為 8 + 2 = 10 位。

這種算法最高可將垂直分辨率提高到 12 位，因為再繼續(xù)下去，其他因數(shù)( 例如示波器的垂直增益或偏置精度) 將起到?jīng)Q定性作用。平均值模式的優(yōu)點是，對示波器的實時帶寬沒有任何限制。缺點是僅適用于重復(fù)信號，并且會降低波形更新速率。

▲圖1.正常采集模式下捕獲的開關(guān)電源 Vds

▲圖2.正常平均模式下捕獲的 Vds

降低噪聲的第二種方法是高分辨率模式，它不要求被測信號必須是重復(fù)信號。像Keysight InfiniiVision 3000 X系列這樣的現(xiàn)代示波器可以在正常采集模式下提供8位垂直分辨率 (類似于大多數(shù)其他數(shù)字示波器)。但是，與平均模式一樣，高分辨率模式只能實現(xiàn)12位的垂直分辨率。

高分辨率模式是對同時收集的連續(xù)點進行平均，而不是對在一定時間內(nèi)多次收集的點進行平均。在高分辨率模式下，您不能像在平均模式下那樣直接控制平均數(shù)。垂直分辨率增加的位數(shù)由示波器的時間/格設(shè)置決定。

在較慢的時基范圍內(nèi)工作時，示波器連續(xù)過濾連續(xù)的數(shù)據(jù)點，并在顯示屏上顯示過濾結(jié)果。增加屏幕上數(shù)據(jù)的存儲深度也將增加用于平均計算的點數(shù)。在高分辨率模式下，掃描速度越快，屏幕上捕獲的點數(shù)越少，因此效果越差。相反，掃描速度越慢，在屏幕上捕獲的點越多，效果越顯著。

如果你關(guān)注的是信號的紋波，你可能不會注意到它的DC偏差。通常，與電源電壓相比，紋波和噪聲非常小。如果你使用示波器的動態(tài)范圍來定量測量這個偏移，當(dāng)你遇到較小的信號細(xì)節(jié)時，你可能無法進行深入分析。將示波器的耦合設(shè)置為 “交流" 可以消除測量結(jié)果中的直流偏壓，從而最大限度地提高測量的線性度和動態(tài)范圍。

▲圖3. 在高分辨率模式下捕獲的 Vds

雖然這種降低噪聲和增加動態(tài)范圍的方法簡單，但經(jīng)常被忽略。功率信號的內(nèi)容通常遠低于示波器的標(biāo)稱帶寬 (kHz至數(shù)十兆赫)。超額帶寬不會傳輸任何信號信息，這只會給測量帶來額外的噪聲。

大多數(shù)示波器使用專用的硬件濾波器來解決這個問題 -- 通常是20到25MHz的低通濾波器。硬件濾波器與軟件濾波器相比的一個優(yōu)點是它不影響示波器的更新速率。

另一個解決方案是使用探針來限制帶寬。測量鏈的帶寬受其最弱環(huán)節(jié)的限制。這個500MHz的示波器配備了一個10MHz的探頭，它的帶寬將是10MHz。它提供各種無源和有源電流和差分探頭，并且始終有一個帶寬適合您的特定測量的探頭。

示波器探頭上的接地引線通過BNC連接器的外殼連接到機箱。出于安全原因，示波器的機箱通過電源線的接地插頭連接到接地基準(zhǔn)。示波器和電源之間的不同接地模式可能相互沖突。許多要測量的信號是基于電勢而不是接地 (浮動)。電源設(shè)計人員使用各種方法來克服這種測量限制。

最常見的方法是通過切斷電源線的保護接地插頭或在電源線中使用隔離變壓器來 “浮置" (隔離) 示波器。這種方法非常危險，因為它可能在示波器外殼上形成高電壓。此外，使用浮動示波器進行測量可能會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

測量浮動功率信號的另一種方法是使用兩個單端電壓探頭進行測量，然后利用通道A的測量結(jié)果減去通道B的測量結(jié)果，得到浮動功率信號。兩個輸入通道和探針用于測量感興趣的信號節(jié)點。然后，利用示波器上的波形操作函數(shù)減去兩個通道上的電信號，得到差分信號的軌跡。

這種方法相對安全，因為示波器總是接地的。然而，當(dāng)共模信號相對較小時，此時使用的兩個探頭的輸入通道之間的增益將不匹配，因此共模抑制相對較低，它小于20dB(10:1)，因此，測量受到一定程度的限制。

為了安全準(zhǔn)確地進行浮動測量，最好使用差分探頭或差分放大器。差分探頭提供高共模抑制比，通常達到80 dB或10,000:1甚至更高，因此您可以以合適的精度和高靈敏度測量大型共模信號掩蔽。下面的小差分信號。使用具有足夠動態(tài)范圍和帶寬的差分探頭來滿足應(yīng)用要求，可以實現(xiàn)安全準(zhǔn)確的浮動測量。

小心選擇探頭附件。通用無源探頭通常提供標(biāo)準(zhǔn)配置的15厘米長接地引線和粘鉤探頭。這兩個附件可以檢測電源或其他設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。此外，長時間的接地連接通常會產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)載，這增加了被測信號的振鈴。

反之，較小的探針、較短的接地連接――例如使用電路板上的 BNC 適配器或卡口式接地引線――可以顯著減少探測到的噪聲。其原理是通過盡量減少連接匝數(shù)，以及降低電感負(fù)載，來減少噪聲。

如果測量電源的紋波和噪聲幅度，則可能需要使用敏感或接近示波器敏感的V/網(wǎng)格設(shè)置。這只是放大器性能范圍的邊緣。盡管測試儀器可能在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)工作，但實際測量效果可能不如其 “基本" 性能好。

在這種情況下，您應(yīng)考慮使用 1:1 探頭，而不是使用儀器標(biāo)配的 10:1 無源探頭。若使用 10:1 探頭，不僅示波器的基線本底噪聲會增加 10 倍，而且示波器的最小 V/ 格設(shè)置也會比使用 1:1 探頭時大 10 倍。這會導(dǎo)致信噪比降低，從而使測量的動態(tài)范圍縮小。使用衰減比較小的探頭，只要測量的信號不超過示波器的最大輸入電壓，就可以獲得出色的信號完整性。