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透過動態重新參考技術，實現穩定的微伏級（µV）訊號量測

Sonya Chan
9月21日
讀畢需時 6 分鐘

精密量測領域的挑戰與突破

在尖端電子研發與高靈敏度感測器應用中，工程師時常面臨從龐大訊號中，精準擷取微弱目標訊號的嚴苛挑戰，特別是當訊號振幅僅有微伏（µV）等級時，任何來自環境的低頻雜訊、溫度造成的漂移（Drift）或直流偏移（DC Offset），都可能完全淹沒關鍵資訊，導致量測結果失真、重複性差，進而影響產品的性能驗證與可靠度，因此，如何有效抑制這些干擾，實現穩定且可信的長期量測，便成為精密儀器領域亟待解決的關鍵課題。

動態重新參考 – 使用 R&S®RTO 示波器進行微伏級訊號量測

為了清晰地呈現振幅不及 1/100 刻度的微小訊號，並在長時間擷取過程中穩定訊號，進而實現可重複的量測，R&S®RTO 示波器憑藉其強大的量測與數學運算頻道功能組合，能在單次擷取中執行修正性的偏移調整，其調整頻率每秒超過一百次。

面臨的挑戰

任務目標是針對帶有直流偏移或漂移，以及低頻雜訊成分的微小訊號，進行精確且可重複的長期量測。

應用範例

量測疊加在巨大訊號上的微小訊號變化
以最少的平均次數，達成精確的低電位量測，並降低波形間的雜訊
在寬廣的垂直刻度設定下，進行超高解析度且可重複的量測，以適應具有大動態範圍的訊號
執行長期量測時，確保波形位置一致，以利於視覺分析
對極小振幅訊號進行遮罩測試（Mask tests），這需要極度可靠且一致的波形定位
使用較短的平均時間，來量測帶有低頻雜訊與漂移／偏移的訊號
對低電位訊號進行精確的 RMS（均方根值） 量測
量測參考基準線不斷變化的訊號變化量

背景說明

現代示波器提供多種為人熟知的工具，用以降低高頻雜訊的影響，包括類比頻寬限制、數位濾波、取樣率降低（Decimation）與波形平均（Trace Averaging），然而處理低頻雜訊（如熱雜訊、閃爍雜訊、1/f 雜訊）及漂移的方法卻相對有限。

偏移（Offset）

通常是特定感測器、探棒或示波器頻道的固定數值，可以透過數學運算頻道中的方程式（例如：重新調整刻度）、自動歸零功能，或在探棒的偏移設定中進行調整或補償；但在某些情況下，偏移值可能過小，導致偏移或自動歸零功能無法完全抵銷偏移電壓，此外，偏移本身會受到漂移的影響，並且通常會因增益或衰減設定的改變而變動。

漂移（Drift）

則是一種難以應對的現象，它是在遠長於取樣或量測週期的時間內，發生的任何零點或增益變化，漂移可能同時包含隨機與確定性成分，其成因包括濕度、震動、元件老化、電源供應變化（這些因素本身也會受影響）、1/f 雜訊、輻射、磁性特性改變等多重因素。

情境舉例

假設一個感測器系統，在 20 分鐘內，因熱效應產生了相當於所測訊號振幅 5% 的正向零點漂移，同時其 1/f 雜訊在 1 Hz 以下表現顯著。

若單次擷取週期為一秒鐘，進行 60 次波形平均可得到一分鐘的平均值，在此期間，漂移量為 0.25%
在每個平均週期中，每分鐘 0.25% 的漂移中，將有 1/2 被消除，若漂移是連續性的，平均功能最終僅能降低由漂移引發偏移量的 0.125%（以全刻度值計算），這僅佔 20 分鐘後總漂移偏移量的 1/40
1/f 雜訊雖被降低，但可能無法完全消除，因為 1/f 雜訊沒有低頻下限
當此感測器系統達到熱平衡後，平均功能對零點的偏移量將不再有任何影響，因為平均功能僅能修正發生時間短於平均週期的漂移或雜訊。

R&S®RTO 示波器的量測解決方案：動態重新參考

為了擷取微伏級的訊號，使用者可以充分利用 R&S®RTO 示波器的多項優勢，例如：

低雜訊前端電路
HD 模式，在 50 MHz 頻寬下提供高達 16-bit 的解析度，並能同時以單點控制頻寬與解析度
對振幅僅 0.02 刻度的訊號進行精確的數位觸發
支援對序列與平行資料匯流排進行觸發，以便量測和評估「智慧型」系統元件
卓越的線性度，歸功於優異的前端性能與單核心 ADC，在 1 GHz 頻寬下 ENOB（有效位元數） 超過 7 bit
功能強大的數學運算頻道，具備以下特點：
- 能夠在數學運算頻道的定義中使用量測結果
- 支援波形平均（使用浮點數值格式）
- 具備 FIR（有限脈衝響應）與移動平均的彈性數位濾波功能

運作原理

Mean（平均值）量測功能搭配閘控（Gate），對每次擷取中穩定的一部分進行運算，再將所得的數值從整個波形中減去。

經過處理後，數學運算頻道的波形將被鎖定在參考電位上，這個過程有效地移除了頻率低於單次擷取週期的雜訊，包含漂移與偏移；如果所選的參考點為 0 V，數學運算頻道的波形將被重新參考至「接地」，若參考電位是一個已知的非零電位，則僅需將量測到的參考電位電壓，作為一個常數加入數學運算頻道的定義中。

設定 R&S®RTO 進行重新參考

觸發設定

當待測訊號的電位變化大於 0.02 刻度時，R&S®RTO 能夠提供穩定的觸發，若訊號振幅小於 0.02 刻度或有顯著漂移，通常可以尋找另一個與目標訊號同步的觸發源，例如：

電源電壓的變化
Enable（致能） 或其他控制線路的訊號狀態改變
透過序列匯流排（如 I2C）施加於待測物（DUT） 的指令訊號，或 R&S®RTO 支援作為觸發源的多種其他介面

參考點量測設定

通常使用 Mean（平均值）量測來過濾取樣訊號中可能存在的雜訊，並對其施加閘控（Gate），以選取波形中穩定的一部分作為參考。

量測設定首先需要設定量測的來源頻道、量測類型，最後是閘控週期。（請注意：來源頻道必須為啟用狀態，且 State 核取方塊需勾選，閘控選項才會顯示於螢幕上。）

調整閘控的 Start（起始） 與 Stop（停止） 時間，使其符合待測波形中理想的參考區段，在下方範例中，觸發波形（綠色的 Ch3Wfm1）的零伏特區段，對應到待測波形（黃色的 Ch1Wfm1）的零電流部分，如此一來，便能輕易地確定閘控應放置的位置。

數學運算頻道設定

定義好量測之後，即可在數學運算頻道的公式中使用，當訊號的穩定部分為零，或預計作為基準線時，其數學運算頻道公式（使用前述的頻道與量測）如下：

Ch1Wfm1 – Meas1

當參考點為一個已知的非零值時，例如量測值為 3.65 V，則公式應為：

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3.65 V

在數學運算頻道的 Setup 頁籤中，建議選擇 Vertical scale > Manual。

使用者也可以透過 Mode 按鈕的下拉選單，選擇其他的訊號處理選項，如 Envelope（封包）、Average（平均） 或 RMS（均方根值）。

實際應用範例

以下是一個重新參考的絕佳範例，其數學運算頻道的等效放大倍率高達 500 倍，而量測的訊號振幅僅為 1/500 刻度。

待測波形是一個重複性的 256 Hz 訊號，其 200 μV 的電位變化疊加在一個具有兩個 40 mV 階躍的 80 mV 訊號上（底部紅色波形），這充分展現了 R&S®RTO 的大動態範圍能力，能夠量測僅佔 1 V 全刻度值 0.02% 的微弱訊號。