如何提高示波器測量準確度
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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、系統非線(xiàn)性度、偏置電路誤差、頻率響應曲線(xiàn)、量化誤差；探頭及測試環(huán)境的原因，如探頭的地線(xiàn)影響(地線(xiàn)長(cháng)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)基穩定性等。這兩個(gè)方面的因素又相互影響，不能完全絕對地分開(kāi)來(lái)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(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，在100V/div時(shí)測出來(lái)的20V信號，實(shí)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(gè)偏差值，在連續的模擬信號轉換為數字信號的離散化過(guò)程中，由于沒(méi)有無(wú)限數量的離散化數字電平來(lái)重組連續的模擬信號，因此，實(shí)際的模擬電壓值與對應的數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。量化級數指的是將最大值均等的級數，每一個(gè)均值的大小稱(chēng)為一個(gè)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。據力科公司中國區市場(chǎng)經(jīng)理汪進(jìn)進(jìn)介紹，相比傳統的8位ADC示波器，12位ADC的臺階數有4,096個(gè)，測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示波器測量8V信號，最小可檢測到的電壓值是1.95mV, 而8位ADC最小只能檢測到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(lái)講，一方面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；另一方面，對于儀器本身固有的、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(mǎn)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。比如測量波形頻率時(shí)如果采樣率太低會(huì )出現混疊現象，那么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(fā)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(guān)鍵信號特征是否在規格范圍之內的一種好方法。
4. 利用平均算法和濾波功能。對于周期重復性的信號，穩定觸發(fā)后利用多次測量求平均值減小信號噪聲所帶來(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量時(shí)波形要穩定觸發(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(jìn)行平均求值，單次捕獲就可以，因此可用于無(wú)法穩定觸發(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(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(xiàn)纜盡可能地遠離輻射源，線(xiàn)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)對于差分探頭，盡量將探頭的正、負線(xiàn)纜耦合到一起，使得正、負線(xiàn)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)的準確度提升
前面提到提高測量準確度最有效的解決辦法是增加ADC的位數。力科率先推出12位ADC的示波器WaveRunner HRO 6Zi系列，更高ADC位數的示波器在測量準確度方面有了明顯的改觀(guān)。
第一個(gè)改觀(guān)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(shí) , 12位ADC示波器可以測量出來(lái)，且信噪比達到55dB，全帶寬范圍內有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(méi)有噪聲的清晰的信號波形。
第二個(gè)改觀(guān)是利用12位ADC示波器可以更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能非常直觀(guān)地了解到12位ADC帶來(lái)的高分辨率的優(yōu)勢。
第三個(gè)改觀(guān)是可以用來(lái)更準確測量相位噪聲。示波器可以通過(guò)先在時(shí)域測量出信號的相位抖動(dòng)，然后通過(guò)對相位抖動(dòng)參數變化趨勢的追蹤進(jìn)行FFT分析和相應的運算轉換得到不同頻率處的相位噪聲。
電源行業(yè)通常需要同時(shí)測量電壓和電流，而且測量MOSFET開(kāi)關(guān)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小信號的測量正是12位ADC示波器的應用價(jià)值所在。另外，一些重要的信號特征如過(guò)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，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(yè)是12位ADC示波器的重要應用領(lǐng)域。此外，12位ADC示波器在醫療電子儀器行業(yè)、傳感器行業(yè)、射頻行業(yè)也有廣闊的應用領(lǐng)域。
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