泰克聊技術：MSO6示波器的低噪聲設計方案

降低顯示信號噪聲的常用方法。

噪聲是一種無處不在的常見問題。幾乎處理電路的每個人都要用一定的時間處理噪聲，要么找到噪聲來源修復它，要么減少噪聲對測量的影響。噪聲來自于各種各樣的地方，包括設計內部來源或外部來源，噪聲可能會淹沒測試信號。您可能在測量低壓（mV）信號方面正碰到麻煩，如在雷達傳輸或心臟監(jiān)測儀中，噪聲會使您很難找到信號的實際電壓。噪聲可能使抖動增加，從而很難進行精確分析。因此，要對低電壓信號進行準確測量，不僅要保證示波器本身的低噪聲，而且還需要簡單精確的測量手段。

而示波器的低噪聲設計也一直被追捧，不僅因為低噪聲的重要性，同時還包含其技術挑戰(zhàn)的難度。示波器設計中要考慮到許多因素，只有方方面面都做到精益求精，才能把產品做得像一件精美的藝術品。泰克示波器提供了相應的功能和工具，幫助您處理噪聲。本篇內容分為兩部分，本文將首次披露泰克示波器低噪聲設計細節(jié)，以及示波器中常用的測量工具。

低噪聲設計

一、低噪聲前置放大器的設計

眾所周知，示波器的模擬前端，包含衰減電路、緩沖電路和放大器電路都會引入噪聲。這也是示波器的本底噪聲的重要來源。通常都會將模擬前端的設計作為評價示波器噪聲的表現(xiàn)的重要指標。泰克MSO6采用了全新設計的前端放大器Tek061，在較小的伏特/格設置上實現(xiàn)了非常好的噪聲性能。因此在放大小信號觀察細節(jié)時， Tek061的優(yōu)秀表現(xiàn)讓我們脫穎而出。

二、ADC模數(shù)轉換的設計

當前使用的數(shù)字示波器中，ADC的量化噪聲是示波器噪聲另一來源。MSO6采用了世界上速度最快的新型12位ADC轉換器，內部運行速率達25GS/s，每通道采樣率要比以前的同類示波器高出25%。12位實現(xiàn)了4096種垂直模數(shù)轉換電平，分辨率比采用8位ADC的示波器高出16 倍。每條ADC通道基于交織連續(xù)接近寄存器（SAR）結構，基于該ADC的TEK049平臺性能可以最高實現(xiàn)了100 GS/s的總吞吐量。這樣就把通道中大量的后端噪聲分散到更大的帶寬上，采用合適的濾波器濾除噪聲，實現(xiàn)精確測量。

三、晶體振蕩器的選擇

MSO6采用的恒溫晶體振蕩器實現(xiàn)了一流的鎖相環(huán)ASIC，時鐘路徑的噪聲非常低。采用的時基精度為±20ppb（在校準時， 25℃環(huán)境溫度， 在任意 ≥1 ms 間隔上）。實現(xiàn)了產生的時鐘精度非常高，相位噪聲非常低。這么低的相位噪聲，使我們的客戶能夠更準確地進行時間測量。

四、信號通路的設計

差分路徑設計不易受來自其他內部源的串擾影響。信號通常以單端方式進入示波器。所有單端信號都在RF屏蔽之下，使用共面波導傳送，使其與其他外部噪聲源隔開。而一旦信號經過前置放大器，那么它會很快變成差分信號，然后才能脫離屏蔽區(qū)域。接地的共面波導是RF設計常用的一種路徑選擇技術。選擇一條路徑，然后在該路徑的兩側放上接地層，從電路板到接地將過孔縫合，這可以防止信號受到任何其他外部噪聲源的耦合影響。

另外，MSO6還特別注意內部屏蔽，尤其是前端，因為這才是真正的焦點。因此，Tek061前端放大器實現(xiàn)全包圍的屏蔽層覆蓋，這樣既有助于實現(xiàn)優(yōu)異的噪聲性能，又有助于實現(xiàn)通道隔離，這也是這一代產品優(yōu)于上一代產品的地方。實際上，與其他競爭對手的任何其他產品相比，我們的通道間隔離度都是非常好的。從低噪聲Tek061前置放大器入手，然后防止內部的所有其他噪聲源。我們研制出這種RF屏蔽，并特別注意其他通道的串擾，儀器內部其他噪聲源，比如采集內存，噪聲可能會很大，因此我們必須把它與采集內存屏蔽開。電源的距離要盡可能遠，確保電源的噪聲非常低。

五、電源的設計

干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，電源的紋波和噪聲都會影響電源供應的質量，MSO6特別注重低噪聲電源的設計，對電源信號進行了包含頻譜分析在內的大量分析，對不同的雜散信號進行了詳細的頻域分析，然后著力解決掉這些問題。

降低顯示的信號上的噪聲幾種常用方法

首先需要對信號進行穩(wěn)定觸發(fā)，一旦獲得穩(wěn)定觸發(fā)，可以進一步在示波器上調節(jié)噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點：帶寬限制濾波器、平均采集模式、HiRes采集模式。

1. 帶寬限制濾波器

帶寬限制濾波器把示波器的帶寬降低到選擇的頻率。也就是說，高于選定頻率的頻率將從觸發(fā)路徑及采集和顯示路徑中衰減或完全去掉。帶寬限制濾波器不僅可以用來保持穩(wěn)定觸發(fā)，還可以用來降低示波器上顯示的噪聲數(shù)量。使用帶寬限制濾波器是降低示波器中噪聲的最簡單的方式之一，如果所有不想要的噪聲頻率都高于固定截止頻率，那么特別適合使用帶寬限制濾波器。但是，它也會去掉可能發(fā)生的高速毛刺信號。

2. 平均采集模式

平均采集模式進行若干個完整的采集，逐點進行平均，獲得采集中每個時間樣點的平均電壓。用戶可以調節(jié)平均選項，包括的采集數(shù)量。噪聲在采集過程中一般是隨機的，有時上升，有時下降。這些隨機變化在數(shù)量足夠多的采集中平均時，它們將抵消，在屏幕上產生穩(wěn)定的信號。當然，為利用平均采集模式，您的波形必須是重復的，不重復的波形或單次事件不能平均。

平均采集模式會降低各類不相關的信號和隨機噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時間/格設置。由于必須采集多個波形，才能創(chuàng)建一個平均后的波形，因此在輸入信號變化或前面板旋鈕變化時，顯示畫面更新速度可能會很慢，這意味著可能會漏掉偶發(fā)的毛刺。但是，相對于帶寬限制濾波器，在某些應用中，平均采集模式的效果要更好，因為可以使用示波器的全部帶寬，捕獲高頻重復事件。

3. HiRes采集模式

泰克示波器包括HiRes采集模式，這種模式與平均采集模式類似，因為它使用平均消除噪聲。HiRes在每個采集上執(zhí)行矩形平均，平均采集一個波形內的多個相鄰樣點，產生一個平均后的樣點。這會降低高頻噪聲，因為平均可以抵消噪聲引起的電壓高速變化。它還會降低采樣率，因為它把多個樣點轉換成一個樣點。因此，HiRes采集模式只適用于較慢的時間/格設置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率測量被測信號。

與平均采集模式不同，HiRes采集模式可以用于不重復的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個波形，HiRes采集模式在輸入或前面板設置變化后顯示更新速度要快得多。把時間上相鄰的多個樣點結合在一起，還減少了在較低時間/格設置上產生假信號的機會。

4. DSP濾波器

另外，示波器提供了后處理DSP濾波器，從信號中去掉某些頻率的噪聲?？梢匀婵刂茷V波頻率。盡管這些濾波器可能會很靈活，但它們通常會很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會在您不知道的情況下，濾掉感興趣的重要毛刺或異常事件。

關于泰克科技

泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創(chuàng)新能力。70多年來，泰克一直走在數(shù)字時代前沿。