如何使用示波器或數(shù)字化儀進(jìn)行更好的測量

現(xiàn)代示波器和數(shù)字化儀變得越來越好。更高的帶寬、更好的垂直分辨率和更長的采集存儲器。更不用說更多用于特定應(yīng)用測量的固件工具了。借助所有這些高級分析功能，有時很難記住一些非常古老且簡單的規(guī)則，這些規(guī)則可以提高測量的準(zhǔn)確性和精度。以下是一些可以提供幫助的好主意。

使用儀器前端的完整動態(tài)范圍

數(shù)字儀器將其輸入信號饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 ADC的動態(tài)范圍與其分辨率位數(shù)有關(guān)。該儀器使用衰減器或放大器將輸入信號與 ADC 輸入電壓范圍相匹配。如果 ADC 的輸入小于其輸入范圍，則會降低 ADC 的總動態(tài)范圍。當(dāng)用戶在屏幕上設(shè)置多個軌跡時，可能會發(fā)生這種情況。

一些示波器和數(shù)字化儀顯示軟件僅提供單個顯示網(wǎng)格。如果您嘗試在全動態(tài)范圍內(nèi)顯示多個信號跡線，信號會重疊，從而難以查看它們。大多數(shù)面臨這個問題的人都會減少每個通道的垂直縮放。如果您有四條跡線，只需將每格伏特設(shè)置增加四倍即可?，F(xiàn)在，每條跡線僅占據(jù)屏幕的四分之一，并且所有四個跡線都適合屏幕，沒有重疊。問題解決了嗎?并不真地。您只需將動態(tài)范圍減少兩位，就可以將八位示波器變成六位示波器。您衰減了信號，但儀器的內(nèi)部噪聲是相同的，信噪比現(xiàn)在差了兩位。

底部網(wǎng)格顯示以 50mV/格采集的原始信號。頂部跡線顯示在四分之一全屏或 200mV/格處采集的跡線。如果您垂直擴(kuò)展衰減跡線并以原始 50mV/格顯示它，則垂直噪聲會顯著增加，您可以從顯示的跡線變粗看出。由于信噪比較差，對衰減跡線進(jìn)行的測量會增加不確定性。對于具有多個網(wǎng)格顯示的示波器或數(shù)字化儀來說，這不是問題，每個網(wǎng)格都以全動態(tài)范圍顯示信號，并且可以比較多個信號，每個信號都在自己的網(wǎng)格中。如果您無法使用多網(wǎng)格示波器，請確保對全幅度信號進(jìn)行任何測量，保留衰減信號僅用于視覺比較。

通過消除噪聲提高動態(tài)范圍和測量精度

使用平均或濾波形式的信號處理來降低噪聲、提高動態(tài)范圍和測量精度。整體平均(其中每次采集的第n 個樣本在多次采集中一起平均)可減少與平均信號數(shù)量的平方根成比例的高斯噪聲。這可以從背景噪聲中提取出低電平信號，以實現(xiàn)更好的測量。它確實需要多次收購。

對于單次采集，您可以通過限制信號帶寬來降低噪聲。動態(tài)范圍的改善與帶寬減少的平方根成正比。將帶寬減少四倍，以實現(xiàn)動態(tài)范圍二比一的改進(jìn)。這假設(shè)信號具有低帶寬并且不受帶寬減少的影響。通過消除噪聲來提高采集的動態(tài)范圍。

獲取的信號是指數(shù)衰減的正弦波。頂部軌跡顯示原始采集。請注意，信號在屏幕上大約四分之三處消失在噪聲中。中心軌跡顯示多次采集的平均值。在底部軌跡中，高斯低通濾波器已應(yīng)用于采集的信號。平均和濾波都可以降低噪聲并提高測量的動態(tài)范圍。經(jīng)過任一類型的信號處理后，信號都可以清晰辨別。

提高光標(biāo)測量的準(zhǔn)確性

光標(biāo)是垂直和/或水平線，可以在示波器或數(shù)字化儀顯示屏上移動以標(biāo)記波形上的重要點(diǎn)。光標(biāo)讀數(shù)顯示光標(biāo)位置處波形的時間或幅度。波形是鍵控射頻載波，水平相對光標(biāo)用于測量射頻突發(fā)的寬度。這是儀器的自動測量參數(shù)無法進(jìn)行的測量。光標(biāo)水平讀數(shù)出現(xiàn)在時基注釋框下方的右下角，讀數(shù)為 8.06275 μs。

這真的是爆發(fā)的持續(xù)時間嗎?答案是否定的。該波形采集了 200 萬個樣本。水平屏幕分辨率為1920像素。因此，很明顯，并非所有樣本都顯示在屏幕上。儀器制造商應(yīng)用壓縮算法來減少顯示點(diǎn)的數(shù)量。它們設(shè)法顯示峰值等重要點(diǎn)，但除非擴(kuò)大顯示，否則仍有很多內(nèi)容您看不到。

進(jìn)行此測量的更準(zhǔn)確方法是使用縮放跡線在 RF 突發(fā)開始和結(jié)束處水平擴(kuò)展波形。

縮放軌跡 Z1 和 Z2 水平擴(kuò)展突發(fā)的開始和結(jié)束。縮放軌跡中的樣本計數(shù)小于屏幕分辨率，因此不使用壓縮算法。光標(biāo)跟蹤采集的信號和縮放軌跡?？s放跡線 Z1(黃色跡線)上的光標(biāo)標(biāo)記從過零開始的 RF 突發(fā)的開始?？s放軌跡 Z2(紅色軌跡)上的光標(biāo)標(biāo)記突發(fā)的結(jié)束。光標(biāo)水平讀數(shù)顯示突發(fā)長度為 8.33295 ms，這是一個更準(zhǔn)確的結(jié)果。

內(nèi)置測量參數(shù)

示波器和數(shù)字化儀支持軟件提供內(nèi)置測量參數(shù)。大多數(shù)示波器包括大約二十個或更多常見測量參數(shù)，例如幅度、頻率、上升時間和下降時間等等。特定于應(yīng)用程序的軟件包可以將可用參數(shù)的數(shù)量增加到一百多個。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)測量通?；?IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 181，該標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)計技術(shù)對脈沖波形進(jìn)行測量。

脈沖頂部和底部的幅度值是通過形成所采集的波形樣本的直方圖來確定的，這顯示為屏幕右側(cè)的插圖。方波或脈沖波形的直方圖有兩個不同的峰值。直方圖上部峰值的平均值稱為“頂部”。較低值峰值的平均值稱為波形的“基值”。使用許多脈沖測量的統(tǒng)計平均值可以抑制噪聲、過沖和振鈴等波形畸變的影響。脈沖幅度是頂部和底部之間的差值。波形的最大值減去頂部就是正過沖。同樣，波形最小值與基值之間的差值就是負(fù)過沖。脈沖寬度是前沿和后沿穿過頂部和底部之間的中間幅度或中值的時間差。波形的峰峰值是最大和最小幅度之間的差。過渡時間測量(如上升時間和下降時間)測量脈沖幅度從 90% 過渡到 10% 的時間。如果波形不是脈沖，測量引擎會看到這一點(diǎn)，因為波形直方圖的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量將恢復(fù)為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。波形的峰峰值是最大和最小幅度之間的差。過渡時間測量(如上升時間和下降時間)測量脈沖幅度從 90% 過渡到 10% 的時間。如果波形不是脈沖，測量引擎會看到這一點(diǎn)，因為波形直方圖的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量將恢復(fù)為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。波形的峰峰值是最大和最小幅度之間的差。過渡時間測量(如上升時間和下降時間)測量脈沖幅度從 90% 過渡到 10% 的時間。如果波形不是脈沖，測量引擎會看到這一點(diǎn)，因為波形直方圖的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量將恢復(fù)為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。測量引擎會看到這一點(diǎn)，因為波形直方圖多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量將恢復(fù)為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。測量引擎會看到這一點(diǎn)，因為波形直方圖多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量將恢復(fù)為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。

幾乎在所有情況下，使用測量參數(shù)進(jìn)行的測量都比使用光標(biāo)進(jìn)行的測量準(zhǔn)確得多。它們也是自動生成的，節(jié)省了大量時間。

測量統(tǒng)計

儀器測量值在不同測量值之間有何不同?測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)回答了這個問題。許多儀器都包含統(tǒng)計報告以及基本測量參數(shù)。

某些示波器包括所有實例測量。與時間相關(guān)的測量(例如頻率和寬度)會為所測量波形的每個周期報告一個值。如果屏幕上有 100 個信號周期，測量引擎會為每次采集添加 100 個測量值。與幅度相關(guān)的測量僅在每次采集時添加一個值。您可以通過多次采集獲得大量測量值。測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)提供了非常有用的數(shù)據(jù)視圖。波形顯示下方的表格(以藍(lán)色框展開)列出了采集中測量的最后一個值、所有采集值的平均值、集合的最小值和最大值、集合的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及所有測量的總?cè)丝?。它還包括狀態(tài)指示器和所有測量值的標(biāo)志性直方圖。

幅度測量報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)中包含 11,873 個值。均值或平均值為 237.5457 mV。平均值以比上一個值更高的分辨率報告，因為平均值是平均值。正如我們在波形中看到的，平均過程提高了測量的垂直分辨率，如果對多個測量進(jìn)行平均，也會發(fā)生同樣的情況，因此平均值中的數(shù)字更有效。

最大值為 241.5 mV，報告為最大值，最小值為 234.8 mV。這些值可以幫助檢測采集期間發(fā)生的瞬態(tài)事件。其他工具可以繪制測量值與時間的關(guān)系圖，以查看瞬態(tài)事件何時發(fā)生，并及時將其與可能的來源進(jìn)行匹配。

標(biāo)準(zhǔn)差描述了測量值關(guān)于平均值的分布，在本例中為 826 μV。平均值和標(biāo)準(zhǔn)差對于理解測量值的分布非常有用，就像圖標(biāo)直方圖一樣?？梢詳U(kuò)展標(biāo)志性直方圖以查看全尺寸直方圖，以便使用其自己的一組直方圖測量值進(jìn)行更詳細(xì)的分析。所有這些測量工具都有助于了解特定測量的動態(tài)。了解測量分布使您能夠建立信號的測試限值。

結(jié)論

這些工具和技術(shù)可以幫助提高儀器的測量精度和可靠性。其他技巧可以從制造商的網(wǎng)絡(luò)研討會和應(yīng)用說明中收集。您對儀器了解得越多，您的測量結(jié)果就越準(zhǔn)確和可靠。