如何最大限度地提高示波器测量的准确性

文章作者:Arthur Pini

充分利用示波器的准确性并不难，但需要注意细节。本文探讨了一些改进度量的方法。

使用多个显示网格来保持动态范围

考虑一个常见的做法，丢弃示波器的动态范围的四分之一，衰减信号，使它们适合一个单一的公共屏幕图1。

图1如果衰减采集到的信号以使它们适合于单个显示网格，那么就抛弃了动态范围。

数字示波器的设置是将其模拟到数字转换器(ADC)的全范围映射到全或几乎全显示网格。如果你衰减每个通道的信号，使它们适合四分之一的网格，你就丢掉了两个动态范围的数字位。此外，必须添加偏移量以显示选定的两个分区内的跟踪。有一个偏移精度规范，它增加了一个额外的误差源的读数。

您应该做的是使用多个网格显示，并将每个通道放置在其自己的网格中。不需要衰减或电压偏移，信号显示在全动态范围，如图所示图2其中一个正交显示器显示四个网格，每个网格在全动态范围内。

比较每个图的顶部轨迹;注意每个输入信号的低噪声图2。通过在更高的垂直刻度读数上获取输入信号来衰减它，可以减少信号的垂直位移，但不能减少示波器通道中的内部噪声。

图2一个四栅格显示器，在每个栅格中有一个单一的通道，显示全动态范围的波形。

其结果是较低的信噪比。查看图中所示通道1上信号的叠加比较图3。

图3将采集到的50 mV/分(绿迹)信号与采集到的200mV/分(黄迹)信号叠加。黄色的痕迹更宽，不太清晰，也更嘈杂。

衰减了四倍的迹线在200mv /除时获得。当它以50 MV/division显示时，它的噪声更大，分辨率更低。绿色的未衰减迹线显示了一个小扰动，该扰动位于正弦波上，由于动态范围的改善，衰减信号中不可见。

显示器不仅表现出振幅分辨率的损失，而且这种损失也会影响其他测量结果。峰间测量对噪声非常敏感。请注意，衰减信号的峰对峰读数读到更高的噪声电平，比信号获得的50 mV/division高44 mV。均方根水平非常接近。这是因为均方根过程集成了降低测量噪声水平的信号。

衰减信号的高噪声水平也会影响其频率的测量。注意，测量的不确定度，用测量的标准偏差表示，对于衰减的信号是两倍大。

只需对衰减信号说不，以适应它们在一个单一的栅格使用多个栅格显示，并在全动态范围显示每个信号。

更准确的游标读数

示波器中有三种测量工具:屏幕光栅、游标和测量参数。游标是一种标记，可以在显示的波形上移动，并记录游标在时间上的位置以及与游标相交时波形的振幅。游标测量的准确性取决于用户将游标精确地放置在所需波形点的能力。

您可以使用几个简单的技巧来提高光标放置的准确性。首先是在放置游标时停止采集。每次采集的波形都是不同的，如果波形不是一直在变化，那么放置游标会更容易。第二个，也是更重要的提示是打开缩放跟踪。光标跟踪在缩放区域和更大的显示使得更容易放置光标，如所示图4。

图4光标跟踪在缩放跟踪，使用缩放跟踪，它显示了一个扩展视图的波形，更准确的光标放置。

放大后的显示不仅更容易看到波形上的细节，而且当光标进入放大区域时，光标移动的变化率也降低了。变化速度越慢，对放置游标的控制就越好。

在所示的示例中，游标将被放置在正弦波的零交点处。两个缩放视图显示，一个为每个交叉。手动放置游标，同时监控通道标注框中的游标幅度，直到游标幅度读取0v。

注意，测量参数P1测量的正弦波的平均周期为99.9999 ns，而游标值DX = 100.04 ns。测量参数具有更高的分辨率，因为它应用了双重插值运算来确定周期。一般来说，测量参数提供最准确的测量结果。然而游标提供了更通用的测量功能，并不是每个测量事件都有一个测量参数。在有测量参数的地方，它会产生比游标更精确的结果。

参数的选择性测量

图5显示了一个波形的例子，如果没有一点帮助，标准测量参数是很难做出来的。波形是一个I的门控时钟²C串行接口。这两个波形是相同的，频率参数将用于测量时钟频率使用不同的测量设置。

参数P1测量的是顶部轨迹的频率。它有162个周期，测量频率从68.518 kHz到100.298 kHz。这并不奇怪，因为波形的时间不是均匀的。P1的读值为波形中最后一个采集周期的频率，频率为73.281 kHz。观察M2波形中的最后一个周期(绿色轨迹)，你可以看到它比大多数其他周期都要长，而这些周期的频率较低。

图5使用测量门控来选择性地测量门控时钟波形的频率。

为了解决这个问题，在参数设置中有几种可用的技术。第一个是门，顾名思义，它只允许在用户定位的门之间进行测量。有些示波器使用测量游标对参数测量值进行门控。这个Teledyne LeCroy示波器使用一组单独的门标记，在较低的(黄色)轨迹上显示为虚线。门被设置在第一个时钟突发和测量频率在八个完整周期包含。在本例中，频率参数从99.914 kHz读取到100.109 kHz。测量门的使用成功地将测量范围限制在时钟的范围内，而忽略了间隙。门控使测量参数更加灵活。

第二个度量工具是验收标准。该工具允许参数测量所有值，但仅显示用户输入范围内的值，如图6：

图6使用参数接受标准，只张贴频率值之间的99和101千赫。

接受标准设置为仅显示在参数P2中99至101 kHz之间的测量频率值。该范围内的测量次数是144次，而P1中列出的162次显示了所有的测量值。频率参数测量从第一个正沿开始，所以在时钟波形中有18个间隙，包括在测量中，这等于总的测量值和接受值之间的差。问您如何知道要使用的值的范围作为验收标准是有效的，下一节将展示如何做到这一点。

跟踪和直方图

磁道是一种数学函数，在一些示波器中可用，它绘制参数值与时间的关系图。在本例中，查看波形的哪些部分与不同波形事件相关联是很有用的。图7显示基于频率参数的轨迹。

图7基于测量频率参数的轨迹(F2)和直方图(F1)函数的示例。

频率参数的轨迹出现在轨迹F2(红色)中。轨道的垂直刻度以赫兹为单位，赫兹是频率与时间的单位。这个轨迹与源波形I是时间同步的²C时钟。它显示的脉冲波形最高值为100.3 kHz，基值为68.52 kHz。顶部的值是一致的，但底部的值在对应于源波形的起始和结束的轨道的每一端略大一些。轨迹显示频率变化的位置。注意，100千赫段的宽度比对应于70千赫和以下段的宽度更宽。在100khz组中有更多的时钟脉冲。

轨迹F1是频率参数的直方图。直方图是一种图形图，显示在测量数据值与数据值的小范围内出现的次数。它是对测量值发生的概率的估计。直方图中使用的数据值可以是采样振幅、定时值或测量参数。上一节中P1频率测量的直方图显示为trace F1(黄色)图7。

柱状图在底部的网格中。横轴是测量值，在本例中是频率。纵轴是小容器内测量值的数量。bin大小是用户可以选择的。在这个例子中，水平轴被分成1000个箱子。所以，对于大约100khz的范围，存储库的大小大约是100hz。直方图显示了两个明显的峰和两个小得多的峰。最大的峰值在100khz代表时钟，在100khz bin的峰值计数是34，相邻bin的较小计数，所有计数将是144。最左边的是68.6 kHz，这是包含间隙的周期频率。两个较小的峰值也是间隙频率，其值约为72-73 kHz，与时钟信号两端的参数测量有关。

柱状图和轨迹的结构，以及大约100 kHz的大量读数，提供了在参数测量中选择和设置接受限度所必需的信息。低于100 kHz的值与时钟脉冲的间隙有关，应该从时钟频率的测量中排除。

跟踪和柱状图函数提供了对测量值的深入了解，显示了测量值的原始位置以及值是如何按值分布的。

结论

本文展示了几种帮助改进示波器测量的技术，包括最大化显示分辨率、光标位置和测量参数。对于那些感兴趣的人，使用的示波器是一个Teledyne LeCroy LabMaster。其他示波器也有类似的功能，但您必须查阅用户手册来找到相应的功能。轨迹和直方图通常与抖动测量工具相关。

阿瑟·扎是一名技术支持专家和电气工程师，在电子测试和测量方面有超过50年的经验。