实时示波器的小信号测量方法之一-什么是小信号及测试设备

2020-06-24 来源：KEYSIGHT是德科技阅读量 :

示波器作为电子行业最通用的仪器设备，其应用面一直在拓宽和深化中。在前面几期，我们介绍了一些实时示波器常用的或者传统的功能和应用，本期文章，我们来谈谈近十来年越来越普遍的小信号测试。

首先来看看什么是小信号?比如：

绝对幅度很小的信号

加载在直流信号上，幅度变化很小的信号

信号幅度变化剧烈，动态范围很大比如超过100倍的信号

电磁辐射信号，随干扰源的距离变化而变化的信号

根据以上几种定义，典型如各种便携式以及穿戴式设备的功耗测试，涉及各种状态下的电流，包括待机，猝发短信，通话及网络数据模式等。各种IoT设备为了实现低功耗长续航，也存在类似的挑战。

数字电路中另一典型小信号是电源纹波和噪声。骨干网络系统的越来越高的带宽和高集成度的功耗需求驱使信号朝向更低的上升沿更低摆幅以及高阶调制方向发展，同时信号在传输链路的接收端幅度大幅缩减必须采用均衡以打开眼图，导致比如最典型的PAM-4信号对信噪比要求越来越高。

寻根究源对电路系统的供电电压的纹波和噪声需求日益苛刻。直流电源的纹波噪声过大，相关联的高速芯片在信号传输中可能就会因为电源噪声的问题而影响信号的完整性。

因此很多的高速芯片厂商对电源的设计都有非常严格的要求，下图是 Broadcom 的 25Gbps 超高速 Serdes 芯片技术手册，里面明确定义了对输入各种直流电源的噪声要求，为了使电源噪声不影响高速信号质量，对 PLL 电源的噪声要求甚至达到 3mV 内。

图1 Broadcom某款 SerDes芯片不同电路单元供电要求

此外在射频领域，还要很多幅度非常小的射频微波信号，包括EMI/EMC诊断等。

本期文章，我们就小信号的测试方法做一介绍。

小信号测量的设备要求

基于示波器的小信号测量，涉及到的比较直观的关键指标包括：本底噪声，ADC有效位数，垂直灵敏度等。

本底噪声通常是指示波器的“本底噪声”，在示波器的模拟前端和数字转换过程产生的垂直噪声。若示波器的底噪非常大，实际的信号很可能被淹没在本底噪声中，不能得出正确的测量结果。由此可见，底噪对于小信号测量有至关重要的作用。

使用一台矢量信号发生器E8267D输出一个频率为10MHZ，幅值为200uV的正弦波小信号，使用一根SMA cable和示波器CH1相连，Keysight E8267D是一款高输出功率、低相位噪声和I/Q调制能力的全合成信号发生器。从该信号源中输出的200uv小信号正弦波，输入到MXR示波器中，从下面图片中可以看出示波器所读出的ACVrms=210uV,Vpp电压也仅为956uV，说明该款示波器测量小信号精准度是非常高的。

图2 MXR示波器测量200uV小信号

那么，实际测量一下MXR示波器的底噪到底如何？

在示波器通道不连接任何探头或电缆的情况下，将CH1的垂直刻度设置成1mV/div，带宽不做限制，使用全带宽6.3GHz，我们可以看到所测试出来的 ACVrms = 198uV，这个底噪值是非常小的，也符合MXR示波器手册上给出的底噪值。

通过FFT的转换在频域上进行查看，量测功率谱密度为-160dbm，这个值是非常好的，相当于目前主流的频谱分析仪的指标，对量测一些小信号是非常有利的。

图3 MXR 6.3GHz全带宽下时域和频域底噪

示波器的ADC位数直接涉及到采样过程的量化等级和最终量化噪声，因此对小信号测试也是非常重要的。当然更加说明问题的是ENOB(Effective Number of Bits)指标。想了解更多示波器采样系统和水平ADC指标的内容，请参考MXR云马拉松第三站的文章《是德示波器的精确测量源自什么》。

图4 MXR系列ADC Hi-Res模式最高可达 16bit.

示波器的垂直灵敏度一般就是指垂直刻度，针对小信号测量，如果能将垂直刻度尽量调节到最小，可以将小信号尽量调节到满屏，从而用足ADC的线性范围最小化ADC的量化噪声。MXR系列中端示波器的垂直灵敏度最小可以达到1mV/DIV，因此对10mV幅度以下信号会有非常良好的表征。特别说明，如下1 MΩ输入幅度下，最高5 V/div是不包括引入外部探头的垂直灵敏度。

图5 MXR系列示波器垂直灵敏度

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