如何提高示波器測量準確度

發布時間：2020-04-16                1396

在示波器測量中出現準確度不夠的問題比較常見，特別是在測量微弱小信號、相位噪聲、小電壓紋波、大電壓中的小電壓信號等更容易出現明顯的誤差。因此，工程師在測量前充分了解影響示波器測量準確度的因素、掌握其使用技巧就顯得尤為重要。當然，提高測量準確度最有效的解決辦法是增加ADC位數，美國麻豆AV电影网站公司(LeCroy)率先推出12位ADC示波器WaveRunner HRO 6Zi係列，使得示波器在測量準確度方麵有了明顯的改觀。

影響測量準確度的因素

影響示波器測量準確度有很多因素，具體又分為垂直量的測量準確度影響因素和水平量的測量準確度影響因素。其中垂直量方麵，它包括示波器本身的原因，如DC增益誤差、係統非線性度、偏置電路誤差、頻率響應曲線、量化誤差；探頭及測試環境的原因，如探頭的地線影響(地線長短、地環路的位置、形狀等)、探頭的負載效應在不同頻率下的值不恒定、 接近探頭前端的寄生參數、 探頭擺放的位置、探頭與探頭之間的影響。水平量方麵，包括采樣率、帶寬、幅值誤差和垂直噪聲、孔徑誤差、觸發抖動、插值誤差及時基穩定性等。這兩個方麵的因素又相互影響，不能完全絕對地分開來考慮。

在以上諸多測量準確度的影響因素中，量化誤差的影響是最具決定性的，特別是在測量微弱小電壓信號和特大電壓信號時。舉例來說，在100V/div時測出來的20V信號，實際上不到20mV，所以測量800V的高壓，20V的誤差是非常正常的。量化誤差是一個偏差值，在連續的模擬信號轉換為數字信號的離散化過程中，由於沒有無限數量的離散化數字電平來重組連續的模擬信號，因此，實際的模擬電壓值與對應的數字化電平值之間總會有偏差，這個偏差值就叫量化誤差。量化級數指的是將最大值均等的級數，每一個均值的大小稱為一個量化單位。量化級數越多，量化誤差則越小。所以ADC的位數越高，量化誤差越小，測量精度也就越高，這就好比刻度尺的最小刻度越小一樣。據麻豆AV电影网站公司中國區市場經理汪進進介紹，相比傳統的8位ADC示波器，12位ADC的台階數有4,096個，測量相同電壓值的最小“步進”比8位ADC小16倍，因此量化誤差小得多。具體來說用12位ADC示波器測量8V信號，最小可檢測到的電壓值是1.95mV, 而8位ADC最小隻能檢測到31.3mV。

提高準確度的使用技巧

正因為上述這些影響測量準確度的因素，示波器的測量不可避免存在一定的誤差。所以對工程師來講，一方麵需要了解這些影響準確度的因素，才能更好地理解示波器各種參數的指標和測量結果；另一方麵，對於儀器本身固有的、無法消除的影響因素，可以通過正確地操作示波器和使用測量技巧來減小誤差。下麵是幾個比較實用的提高示波器測量準確度的原則和技巧。

1. 在現有條件的基礎上最小化量化誤差，即盡量讓測量波形占滿柵格，充分利用ADC的範圍。

2. 時刻警惕采樣率，要過采樣而不要欠采樣。比如測量波形頻率時如果采樣率太低會出現混疊現象，那麽測量的結果就是錯誤的。

3. 利用測量統計功能。因為波形的形狀是不穩定的，因此示波器每次捕獲到的波形測量結果不一樣。利用測量統計可以發現電路性能最壞的情況和一些間歇性信號的參數值，這是判斷關鍵信號特征是否在規格範圍之內的一種好方法。

4. 利用平均算法和濾波功能。對於周期重複性的信號，穩定觸發後利用多次測量求平均值減小信號噪聲所帶來的誤差，平均算法同樣會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量時波形要穩定觸發，而且存儲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行平均求值，單次捕獲就可以，因此可用於無法穩定觸發的非周期重複性波形的測量情況。

6. 減小探頭對測量準確度的影響，主要是要注意以下幾點:1)盡可能地減小探頭之間的環路。2)將探頭置於合適的位置(比如要將探頭的線纜盡可能地遠離輻射源，線纜避免纏繞，以避免自身形成環路而拾取更大的空間輻射噪聲)。 3)對於差分探頭，盡量將探頭的正、負線纜耦合到一起，使得正、負線纜受到平衡的空間輻射，以利於共模噪聲的消除。

十二位ADC示波器帶來的準確度提升

前麵提到提高測量準確度最有效的解決辦法是增加ADC的位數。麻豆AV电影网站率先推出12位ADC的示波器WaveRunner HRO 6Zi係列，更高ADC位數的示波器在測量準確度方麵有了明顯的改觀。

第一個改觀是可以更準確地測量一些微弱小信號。例如測試ADC輸出電壓大約10mV微弱小信號時 , 12位ADC示波器可以測量出來，且信噪比達到55dB，全帶寬範圍內有1mV的靈敏度。如圖1可以看出用12位ADC示波器測量顯示出的沒有噪聲的清晰的信號波形。

第二個改觀是利用12位ADC示波器可以更準確地測量大電壓範圍中的小電壓信號。如圖2中方波幅值上的紋波在逐漸減小，比較12位和8位示波器放大後的波形細節能非常直觀地了解到12位ADC帶來的高分辨率的優勢。

第三個改觀是可以用來更準確測量相位噪聲。示波器可以通過先在時域測量出信號的相位抖動，然後通過對相位抖動參數變化趨勢的追蹤進行FFT分析和相應的運算轉換得到不同頻率處的相位噪聲。

第四個改觀是通過使用示波器對一個單音/多音信號做FFT分析，可以衡量示波器的動態範圍。如圖3所示，如果對一個多音信號做FFT分析，由於高次頻率分量的信號能量幅度會越來越低，使用12位ADC的示波器可測量到8次頻率分量的信號，而8位ADC的示波器由於動態範圍較小則無法做到。

電源行業通常需要同時測量電壓和電流，而且測量MOSFET開關管電壓信號的變化範圍達幾百伏甚至上千伏，因此在大電壓範圍內小信號的測量正是12位ADC示波器的應用價值所在。另外，一些重要的信號特征如過衝和下衝、振蕩等隻能用12位ADC示波器才能準確地捕獲，小電壓的電源紋波也隻能用它才能準確地測量，更高精度的示波器計算電源功率損耗也更準確。 因此，電壓測量行業是12位ADC示波器的重要應用領域。此外，12位ADC示波器在醫療電子儀器行業、傳感器行業、射頻行業也有廣闊的應用領域。

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