动态重新比较——使用 R&S®RTO 示波器进行微伏级测量

您的任务

您需要准确且可重复地长期测量小信号（带 DC 偏置或偏移）以及低频噪声分量。

示例

• 小信号变化“取决于”大信号
• 涵盖最低平均值以及低迹线-迹线噪声的精确低电平测量
• 在大垂直刻度设置下进行高分辨率、可重复的测量，以便给信号提供较大的动态范围
• 在屏幕位置一致的情况下长期测量，以便简化视觉分析
• 针对极小信号幅度的模板测试（需要可靠且一致的迹线位置）
• 使用较短平均时间测量低频噪声以及偏置/偏移
• 针对低电平信号进行准确的 RMS 测量
• 信号变化（被称为基线变化）

背景

现代示波器提供了广为人知的实用工具，可帮助降低高频噪声的影响，包括模拟带宽限制、数字滤波、采样以及迹线平均化。

相反，处理低频噪声（热噪声、闪烁噪声、1/f 噪声）及偏置的方法十分有限。

偏移值通常是特定传感器/探头/示波器信道的固定值，用户通常可以通过自动归零或在探头的偏移设置中，简单调整该值或者使用在信道数学方程式中使用的某个值进行补偿（比如重新调节）。有些情况下，偏移值可能太低，以至于无法通过偏移或自动归零功能完全取消偏移电压。此外，偏移值易偏置，并且通常会受增益或衰减设置变化的影响。

偏置是一种很难抵消的现象；偏置指在一段时间内（该时间段显著长于采样或测量周期）出现的任何零点或增益变化。偏置可能包含随机成分以及确定成分，主要归因于湿度、振动、组件老化、电源变化（本身受这些因素的影响）、1/f 噪声、辐射、磁性变化等因素。

示例

• 对于在二十分钟内测量的信号幅度，传感器系统的正、热诱导零点偏置为 5%，且 1/f 噪声远低于 1 Hz
• 如果采集时间为一秒，则根据迹线平均值 (60)，平均数为 1 分钟；在此阶段，偏置为 0.25%
• 在每个平均周期，每分钟偏置为 0.25%，其中 1/2 将被消除。如果偏置持续，则在求平均值时只能将因偏置诱发的偏移值减少满刻度值的 0.125%，以及减少因偏置诱发的总偏移值（20 分钟后）的 1/40
• 1/f 噪声降低，但由于 1/f 噪声没有频率下限，因此可能无法消除

在此传感器系统达到热平衡状态后，均值法将不会影响零点中的偏移数量。均值法只能用于纠正在小于平均周期的某段时间内出现的偏移或噪声。

测试与测量解决方案：使用 R&S®RTO 示波器实现动态重新比较

用户可以使用 R&S^®RTO 捕捉微伏级信号，比如使用：

• 低噪声前端
• HD 模式，在 50 MHz 下实现最高 16 位的分辨率，并且实施对带宽以及分辨率的同步单点控制
• 对于幅度分割低至 0.02 的信号进行精确的数字触发
• 触发串行及并行数据总线，以便测量和评估“智能”系统组件
• 因前端性能以及单核 ADC（在 1 GHz 带宽下 ENOB > 7 位）而具有良好的线性
• 具有以下功能的强大数学信道：
  • 能够在数学信道定义中使用测量结果
  • 迹线平均化（使用浮点数值格式）
  • 涵盖有限脉冲响应 (FIR) 和移动平均数的灵活的数字滤波

原理

平均值测量（使用门触发）是在每次采集过程中稳定的采集部分进行的；首先从迹线中减去最终值，

然后将数学信道波形固定到参考电平。此流程可以有效消除采集周期内不同频率下的噪声，包括偏移及偏置。

如果所选参考电平为 0 V，则数学信道波形将被重新参考为“接地”。如果参考电平是某个已知电平，而不是 0 V，则只需将测得的参考电平电压作为恒量加到数学信道定义中。

设置 R&S^®RTO 以重新比较

触发

如果测量信号的电平变化超过 0.02/div，则 R&S^®RTO 可以提供稳定的触发。

如果信号的幅度分割小于 0.02/div 或偏移严重，则一般可以查找与关注信号同步的其他触发源，比如：

• 电源电压变化
• 启动线路或其他控制线路的信号状态变化
• 通过串行总线（比如 I2C）或者可用作 R&S^®RTO 中触发源的其中一个接口应用到被测设备的命令信号

参考测量设置

通常，平均值测量用以过滤可能存在于采样信号中的噪声，并且应用门触发以便选择波形的稳定部分作为参考。

进行测量设置时，首先要设置测量的源信道、测量类型以及门触发周期。（注意：源信道必须为有源状态且“状态”框已勾选，以便在屏幕上显示门触发选择。）

门触发“开始”和“停止”时间可加以调整，以匹配测量波形的理想参考部分。在以下示例中，触发波形（Ch3Wfm1，绿色）的零伏部分对应于测量波形（Ch1Wfm1，黄色）的零电流部分。因此，很容易判断门触发位置。

数学信道设置

测量值确定后，即可在数学信道公式中使用。如果信号的稳定部分为零值或者要用作基线，则数学信道公式（使用如上信道和测量值）如下：

Ch1Wfm1 – Meas1

如果非零值参考是某个已知值，比如测量值为 3.65 V，则公式如下：

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3.65 V

在数学信道“设置”选项卡中，建议依次选择“垂直刻度”、“手动”。

用户也可以通过“模式”按钮或下拉菜单选择其他的信号处理选项：包络/平均/RMS

示例

以下是一个很好的重新比较示例，其中有效数学信道缩放系数为 500，测量的信号电平幅度为 0.002/div。

待测波形具有重复性，具有 200 μV 电平变化的 256 Hz 信号叠于具有两个 40 mV 步阶（底部红色迹线）的 80 mV 信号之上。这表明使用 R&S^®RTO 可以实现大的动态范围，从而测量仅占 1 V 满刻度值的 0.02% 的信号。

HD 模式在 20 kHz 带宽下使用。数学信道被设为 20× 平均值。

在示波器屏幕上（10 s 持续设置），200 μV 信号清晰可见，其偏置相当于 400 每格。信号持续表明信号的稳定性，并且测量数据证明信号的标准偏差为 44 μV（大约占满刻度值的 0.004%，> 14 位）。

摘要

动态重新比较可加强对 R&S®RTO 提供的宽动态范围的使用，不仅有助提高精确性和易用性，而且减少了长期测量误差。