如何提高示波器測(cè)量準(zhǔn)確度

影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

影響示波器測(cè)量準(zhǔn)確度有很多因素，具體又分為垂直量的測(cè)量準(zhǔn)確度影響因素和水平量的測(cè)量準(zhǔn)確度影響因素。其中垂直量方面，它包括示波器本身的原因，如DC增益誤差、系統(tǒng)非線性度、偏置電路誤差、頻率響應(yīng)曲線、量化誤差；探頭及測(cè)試環(huán)境的原因，如探頭的地線影響(地線長(zhǎng)短、地環(huán)路的位置、形狀等)、探頭的負(fù)載效應(yīng)在不同頻率下的值不恒定、 接近探頭前端的寄生參數(shù)、 探頭擺放的位置、探頭與探頭之間的影響。水平量方面，包括采樣率、帶寬、幅值誤差和垂直噪聲、孔徑誤差、觸發(fā)抖動(dòng)、插值誤差及時(shí)基穩(wěn)定性等。這兩個(gè)方面的因素又相互影響，不能完全絕對(duì)地分開(kāi)來(lái)考慮。

在以上諸多測(cè)量準(zhǔn)確度的影響因素中，量化誤差的影響是最具決定性的，特別是在測(cè)量微弱小電壓信號(hào)和特大電壓信號(hào)時(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，在100V/div時(shí)測(cè)出來(lái)的20V信號(hào)，實(shí)際上不到20mV，所以測(cè)量800V的高壓，20V的誤差是非常正常的。量化誤差是一個(gè)偏差值，在連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的離散化過(guò)程中，由于沒(méi)有無(wú)限數(shù)量的離散化數(shù)字電平來(lái)重組連續(xù)的模擬信號(hào)，因此，實(shí)際的模擬電壓值與對(duì)應(yīng)的數(shù)字化電平值之間總會(huì)有偏差，這個(gè)偏差值就叫量化誤差。量化級(jí)數(shù)指的是將最大值均等的級(jí)數(shù)，每一個(gè)均值的大小稱為一個(gè)量化單位。量化級(jí)數(shù)越多，量化誤差則越小。所以ADC的位數(shù)越高，量化誤差越小，測(cè)量精度也就越高，這就好比刻度尺的最小刻度越小一樣。據(jù)力科公司中國(guó)區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理汪進(jìn)進(jìn)介紹，相比傳統(tǒng)的8位ADC示波器，12位ADC的臺(tái)階數(shù)有4,096個(gè)，測(cè)量相同電壓值的最小“步進(jìn)”比8位ADC小16倍，因此量化誤差小得多。具體來(lái)說(shuō)用12位ADC示波器測(cè)量8V信號(hào)，最小可檢測(cè)到的電壓值是1.95mV, 而8位ADC最小只能檢測(cè)到31.3mV。

提高準(zhǔn)確度的使用技巧

正因?yàn)樯鲜鲞@些影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素，示波器的測(cè)量不可避免存在一定的誤差。所以對(duì)工程師來(lái)講，一方面需要了解這些影響準(zhǔn)確度的因素，才能更好地理解示波器各種參數(shù)的指標(biāo)和測(cè)量結(jié)果；另一方面，對(duì)于儀器本身固有的、無(wú)法消除的影響因素，可以通過(guò)正確地操作示波器和使用測(cè)量技巧來(lái)減小誤差。下面是幾個(gè)比較實(shí)用的提高示波器測(cè)量準(zhǔn)確度的原則和技巧。

1. 在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上最小化量化誤差，即盡量讓測(cè)量波形占滿柵格，充分利用ADC的范圍。

2. 時(shí)刻警惕采樣率，要過(guò)采樣而不要欠采樣。比如測(cè)量波形頻率時(shí)如果采樣率太低會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，那么測(cè)量的結(jié)果就是錯(cuò)誤的。

3. 利用測(cè)量統(tǒng)計(jì)功能。因?yàn)椴ㄐ蔚男螤钍遣环€(wěn)定的，因此示波器每次捕獲到的波形測(cè)量結(jié)果不一樣。利用測(cè)量統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)電路性能最壞的情況和一些間歇性信號(hào)的參數(shù)值，這是判斷關(guān)鍵信號(hào)特征是否在規(guī)格范圍之內(nèi)的一種好方法。

4. 利用平均算法和濾波功能。對(duì)于周期重復(fù)性的信號(hào)，穩(wěn)定觸發(fā)后利用多次測(cè)量求平均值減小信號(hào)噪聲所帶來(lái)的誤差，平均算法同樣會(huì)減弱由示波器模擬前端和探頭引入的噪聲影響。需要注意的是在做這種測(cè)量時(shí)波形要穩(wěn)定觸發(fā)，而且存儲(chǔ)深度和采樣率要足夠。

5. 利用FIR濾波器也能減小噪聲。不需要捕獲多次的波形進(jìn)行平均求值，單次捕獲就可以，因此可用于無(wú)法穩(wěn)定觸發(fā)的非周期重復(fù)性波形的測(cè)量情況。

6. 減小探頭對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，主要是要注意以下幾點(diǎn):1)盡可能地減小探頭之間的環(huán)路。2)將探頭置于合適的位置(比如要將探頭的線纜盡可能地遠(yuǎn)離輻射源，線纜避免纏繞，以避免自身形成環(huán)路而拾取更大的空間輻射噪聲)。 3)對(duì)于差分探頭，盡量將探頭的正、負(fù)線纜耦合到一起，使得正、負(fù)線纜受到平衡的空間輻射，以利于共模噪聲的消除。

十二位ADC示波器帶來(lái)的準(zhǔn)確度提升

前面提到提高測(cè)量準(zhǔn)確度最有效的解決辦法是增加ADC的位數(shù)。力科率先推出12位ADC的示波器WaveRunner HRO 6Zi系列，更高ADC位數(shù)的示波器在測(cè)量準(zhǔn)確度方面有了明顯的改觀。

第一個(gè)改觀是可以更準(zhǔn)確地測(cè)量一些微弱小信號(hào)。例如測(cè)試ADC輸出電壓大約10mV微弱小信號(hào)時(shí) , 12位ADC示波器可以測(cè)量出來(lái)，且信噪比達(dá)到55dB，全帶寬范圍內(nèi)有1mV的靈敏度。如圖1可以看出用12位ADC示波器測(cè)量顯示出的沒(méi)有噪聲的清晰的信號(hào)波形。

第二個(gè)改觀是利用12位ADC示波器可以更準(zhǔn)確地測(cè)量大電壓范圍中的小電壓信號(hào)。如圖2中方波幅值上的紋波在逐漸減小，比較12位和8位示波器放大后的波形細(xì)節(jié)能非常直觀地了解到12位ADC帶來(lái)的高分辨率的優(yōu)勢(shì)。

第三個(gè)改觀是可以用來(lái)更準(zhǔn)確測(cè)量相位噪聲。示波器可以通過(guò)先在時(shí)域測(cè)量出信號(hào)的相位抖動(dòng)，然后通過(guò)對(duì)相位抖動(dòng)參數(shù)變化趨勢(shì)的追蹤進(jìn)行FFT分析和相應(yīng)的運(yùn)算轉(zhuǎn)換得到不同頻率處的相位噪聲。

第四個(gè)改觀是通過(guò)使用示波器對(duì)一個(gè)單音/多音信號(hào)做FFT分析，可以衡量示波器的動(dòng)態(tài)范圍。如圖3所示，如果對(duì)一個(gè)多音信號(hào)做FFT分析，由于高次頻率分量的信號(hào)能量幅度會(huì)越來(lái)越低，使用12位ADC的示波器可測(cè)量到8次頻率分量的信號(hào)，而8位ADC的示波器由于動(dòng)態(tài)范圍較小則無(wú)法做到。

電源行業(yè)通常需要同時(shí)測(cè)量電壓和電流，而且測(cè)量MOSFET開(kāi)關(guān)管電壓信號(hào)的變化范圍達(dá)幾百伏甚至上千伏，因此在大電壓范圍內(nèi)小信號(hào)的測(cè)量正是12位ADC示波器的應(yīng)用價(jià)值所在。另外，一些重要的信號(hào)特征如過(guò)沖和下沖、振蕩等只能用12位ADC示波器才能準(zhǔn)確地捕獲，小電壓的電源紋波也只能用它才能準(zhǔn)確地測(cè)量，更高精度的示波器計(jì)算電源功率損耗也更準(zhǔn)確。 因此，電壓測(cè)量行業(yè)是12位ADC示波器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。此外，12位ADC示波器在醫(yī)療電子儀器行業(yè)、傳感器行業(yè)、射頻行業(yè)也有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。