如何提高示波器測量準確度

時間：2021-07-30

在示波器測量中出現(xiàn)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較容易出現(xiàn)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，提高測量準確度較有效的解決辦法是增加ADC位數(shù)，美國力科公司(LeCroy)率先推出12位ADC示波器WaveRunner HRO 6Zi系列，使得示波器在測量準確度方面有了明顯的改觀。

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、頻率響應曲線、量化誤差；探頭及測試環(huán)境的原因，如探頭的地線影響(地線長短、地環(huán)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**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、插值誤差及時基穩(wěn)定性等。這兩個方面的因素又相互影響，不能完全**地分開來考慮。

在以上諸多測量準確度的影響因素中，量化誤差的影響是較具決定性的，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(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的離散化過程中，由于沒有無限數(shù)量的離散化數(shù)字電平來重組連續(xù)的模擬信號，因此，實際的模擬電壓值與對應的數(shù)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(shù)指的是將較大值均等的級數(shù)，每一個均值的大小稱為一個量化單位。量化級數(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，測量精度也就越高，這就好比刻度尺的較小刻度越小一樣。據(jù)力科公司中國區(qū)市場經(jīng)理汪進進介紹，相比傳統(tǒng)的8位ADC示波器，12位ADC的臺階數(shù)有4,096個，測量相同電壓值的較小“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，較小可檢測到的電壓值是1.95mV, 而8位ADC較小只能檢測到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，一方面需要了解這些影響準確度的因素，才能較好地理解示波器各種參數(shù)的指標和測量結(jié)果；另一方面，對于儀器本身固有的、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。下面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(xiàn)有條件的基礎上較小化量化誤差，即盡量讓測量波形占滿柵格，充分利用ADC的范圍。

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(xiàn)混疊現(xiàn)象，那么測量的結(jié)果就是錯誤的。

3. 利用測量統(tǒng)計功能。因為波形的形狀是不穩(wěn)定的，因此示波器每次捕獲到的波形測量結(jié)果不一樣。利用測量統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)電路性能較壞的情況和一些間歇性信號的參數(shù)值，這是判斷關鍵信號特征是否在規(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。對于周期重復性的信號，穩(wěn)定觸發(fā)后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**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(wěn)定觸發(fā)，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，因此可用于無法穩(wěn)定觸發(fā)的非周期重復性波形的測量情況。

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(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離輻射源，線纜避免纏繞，以避免自身形成環(huán)路而拾取較大的空間輻射噪聲)。 3)對于差分探頭，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，以利于共模噪聲的消除。

十二位ADC示波器帶來的準確度提升

**提到提高測量準確度較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，較高ADC位數(shù)的示波器在測量準確度方面有了明顯的改觀。

**個改觀是可以較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示波器測量顯示出的沒有噪聲的清晰的信號波形。

*二個改觀是利用12位ADC示波器可以較準確地測量大電壓范圍中的小電壓信號。如圖2中方波幅值上的紋波在逐漸減小，比較12位和8位示波器放大后的波形細節(jié)能非常直觀地了解到12位ADC帶來的高分辨率的優(yōu)勢。

*三個改觀是可以用來較準確測量相位噪聲。示波器可以通過先在時域測量出信號的相位抖動，然后通過對相位抖動參數(shù)變化趨勢的追蹤進行FFT分析和相應的運算轉(zhuǎn)換得到不同頻率處的相位噪聲。

*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(tài)范圍。如圖3所示，如果對一個多音信號做FFT分析，由于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的示波器由于動態(tài)范圍較小則無法做到。

電源行業(yè)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范圍達幾百伏甚至上千伏，因此在大電壓范圍內(nèi)小信號的測量正是12位ADC示波器的應用所在。另外，一些重要的信號特征如過沖和下沖、振蕩等只能用12位ADC示波器才能準確地捕獲，小電壓的電源紋波也只能用它才能準確地測量，較高精度的示波器計算電源功率損耗也較準確。因此，電壓測量行業(yè)是12位ADC示波器的重要應用領域。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)也有廣闊的應用領域。

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