技術(shù)篇-連載第三篇：泰克MSO6的低噪聲設(shè)計(jì)

　　噪聲是一種無處不在的常見問題。幾乎處理電路的每個(gè)人都要用一定的時(shí)間處理噪聲，要么找到噪聲來源修復(fù)它，要么減少噪聲對(duì)測(cè)量的影響。噪聲來自于各種各樣的地方，包括設(shè)計(jì)內(nèi)部來源或外部來源，噪聲可能會(huì)淹沒測(cè)試信號(hào)。您可能在測(cè)量低壓(mV)信號(hào)方面正碰到麻煩，如在雷達(dá)傳輸或心臟監(jiān)測(cè)儀中，噪聲會(huì)使您很難找到信號(hào)的實(shí)際電壓。噪聲可能使抖動(dòng)增加，從而很難進(jìn)行精確分析。因此，要對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，不僅要保證示波器本身的低噪聲，而且還需要簡(jiǎn)單精確的測(cè)量手段。

　　而示波器的低噪聲設(shè)計(jì)也一直被追捧，不僅因?yàn)榈驮肼暤闹匾?，同時(shí)還包含其技術(shù)挑戰(zhàn)的難度。示波器設(shè)計(jì)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(chǎn)品做得像一件精美的藝術(shù)品。泰克示波器提供了相應(yīng)的功能和工具，幫助您處理噪聲。本篇內(nèi)容分為兩部分，本文將首次披露泰克示波器低噪聲設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以及示波器中常用的測(cè)量工具。

　　低噪聲設(shè)計(jì)

　　一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)

　　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(huì)引入噪聲。這也是示波器的本底噪聲的重要來源。通常都會(huì)將模擬前端的設(shè)計(jì)作為評(píng)價(jià)示波器噪聲的表現(xiàn)的重要指標(biāo)。泰克MSO6采用了全新設(shè)計(jì)的前端放大器Tek061，在較小的伏特/格設(shè)置上實(shí)現(xiàn)了非常好的噪聲性能。因此在放大小信號(hào)觀察細(xì)節(jié)時(shí)， Tek061的優(yōu)秀表現(xiàn)讓我們脫穎而出。

　　二、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)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(zhuǎn)換器，內(nèi)部運(yùn)行速率達(dá)25GS/s，每通道采樣率要比以前的同類示波器高出25%。12位實(shí)現(xiàn)了4096種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，基于該ADC的TEK049平臺(tái)性能可以最高實(shí)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(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

　　三、晶體振蕩器的選擇

　　MSO6采用的恒溫晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)了一流的鎖相環(huán)ASIC，時(shí)鐘路徑的噪聲非常低。采用的時(shí)基精度為±20ppb(在校準(zhǔn)時(shí), 25℃環(huán)境溫度, 在任意 ≥1 ms 間隔上)。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生的時(shí)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(zhǔn)確地進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。

　　四、信號(hào)通路的設(shè)計(jì)

　　差分路徑設(shè)計(jì)不易受來自其他內(nèi)部源的串?dāng)_影響。信號(hào)通常以單端方式進(jìn)入示波器。所有單端信號(hào)都在RF屏蔽之下，使用共面波導(dǎo)傳送，使其與其他外部噪聲源隔開。而一旦信號(hào)經(jīng)過前置放大器，那么它會(huì)很快變成差分信號(hào)，然后才能脫離屏蔽區(qū)域。接地的共面波導(dǎo)是RF設(shè)計(jì)常用的一種路徑選擇技術(shù)。選擇一條路徑，然后在該路徑的兩側(cè)放上接地層，從電路板到接地將過孔縫合，這可以防止信號(hào)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(nèi)部屏蔽，尤其是前端，因?yàn)檫@才是真正的焦點(diǎn)。因此，Tek061前端放大器實(shí)現(xiàn)全包圍的屏蔽層覆蓋，這樣既有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的噪聲性能，又有助于實(shí)現(xiàn)通道隔離，這也是這一代產(chǎn)品優(yōu)于上一代產(chǎn)品的地方。實(shí)際上，與其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的任何其他產(chǎn)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(nèi)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?dāng)_，儀器內(nèi)部其他噪聲源，比如采集內(nèi)存，噪聲可能會(huì)很大，因此我們必須把它與采集內(nèi)存屏蔽開。電源的距離要盡可能遠(yuǎn)，確保電源的噪聲非常低。

　　五、電源的設(shè)計(jì)

　　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(huì)影響電源供應(yīng)的質(zhì)量，MSO6特別注重低噪聲電源的設(shè)計(jì)，對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行了包含頻譜分析在內(nèi)的大量分析，對(duì)不同的雜散信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)的頻域分析，然后著力解決掉這些問題。

　　降低顯示的信號(hào)上的噪聲幾種常用方法

　　首先需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定觸發(fā)，一旦獲得穩(wěn)定觸發(fā)，可以進(jìn)一步在示波器上調(diào)節(jié)噪聲顯示。有多種工具可以完成這一點(diǎn)：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(jiǎn)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(huì)去掉可能發(fā)生的高速毛刺信號(hào)。

　　2. 平均采集模式

　　平均采集模式進(jìn)行若干個(gè)完整的采集，逐點(diǎn)進(jìn)行平均，獲得采集中每個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)的平均電壓。用戶可以調(diào)節(jié)平均選項(xiàng)，包括的采集數(shù)量。噪聲在采集過程中一般是隨機(jī)的，有時(shí)上升，有時(shí)下降。這些隨機(jī)變化在數(shù)量足夠多的采集中平均時(shí)，它們將抵消，在屏幕上產(chǎn)生穩(wěn)定的信號(hào)。當(dāng)然，為利用平均采集模式，您的波形必須是重復(fù)的，不重復(fù)的波形或單次事件不能平均。

　　平均采集模式會(huì)降低各類不相關(guān)的信號(hào)和隨機(jī)噪聲，即使頻率非常低。此外，它適用于所有示波器時(shí)間/格設(shè)置。由于必須采集多個(gè)波形，才能創(chuàng)建一個(gè)平均后的波形，因此在輸入信號(hào)變化或前面板旋鈕變化時(shí)，顯示畫面更新速度可能會(huì)很慢，這意味著可能會(huì)漏掉偶發(fā)的毛刺。但是，相對(duì)于帶寬限制濾波器，在某些應(yīng)用中，平均采集模式的效果要更好，因?yàn)榭梢允褂檬静ㄆ鞯娜繋?，捕獲高頻重復(fù)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?yàn)樗褂闷骄肼?。HiRes在每個(gè)采集上執(zhí)行矩形平均，平均采集一個(gè)波形內(nèi)的多個(gè)相鄰樣點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)平均后的樣點(diǎn)。這會(huì)降低高頻噪聲，因?yàn)槠骄梢缘窒肼曇鸬碾妷焊咚僮兓?。它還會(huì)降低采樣率，因?yàn)樗讯鄠€(gè)樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成一個(gè)樣點(diǎn)。因此，HiRes采集模式只適用于較慢的時(shí)間/格設(shè)置，在這種情況下，示波器仍有足夠的采樣率測(cè)量被測(cè)信號(hào)。

　　與平均采集模式不同，HiRes采集模式可以用于不重復(fù)的波形和單次波形上。此外，由于只需采集一個(gè)波形，HiRes采集模式在輸入或前面板設(shè)置變化后顯示更新速度要快得多。把時(shí)間上相鄰的多個(gè)樣點(diǎn)結(jié)合在一起，還減少了在較低時(shí)間/格設(shè)置上產(chǎn)生假信號(hào)的機(jī)會(huì)。

　　4. DSP濾波器

　　另外，示波器提供了后處理DSP濾波器，從信號(hào)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(huì)很靈活，但它們通常會(huì)很慢，只適合單次或更新速率較低的顯示。它們可能會(huì)在您不知道的情況下，濾掉感興趣的重要毛刺或異常事件。