让您的示波器测量质量提升 1000 倍的绝招

2016-03-07 11:09:13   来源:EEWORLD   

关键字: 示波器  测量  分辨率  采样率  存储深度  ADC

您是否希望示波器测量尽可能最好?不要满足于普通的测量;只需正确选择信号的显示刻度,即可显著提升测量质量。为什么? 因为示波器的采样率分辨率在测量中同样重要。

采样率受示波器水平刻度的影响。其公式为:
采样率 = 存储深度/采集时间长度
 
存储深度是一个恒定值,采集时间长度(或迹线长度)是一个变量,取决于您的每格时间设置。随着时间/格设定值增加,采集时间长度增加。由于这一切都必须适应示波器的存储深度,在某一点上,示波器的 ADC 将不得不降低采样率。这实际上意味着什么?我们以 100 kHz 方波的频率测量为例。我们知道频率为 100 kHz 且非常稳定,因此我们可以利用测量结果的标准方差来判断测量的质量。图 1 将 100 kHz 方波的水平显示刻度设置为满刻度 20 毫秒。并且,示波器的采样率已自动从 5 GSa/秒下降到 100 MSa/秒,以使整个迹线能够保存到示波器的存储器中。在大约 1500 次测量后,测量的标准方差为 1.49 kHz(约 1.5%)。
 

 
图中文字中英对照
1.49 kHz Standard Deviation :1.49 kHz 的标准方差
 
但是,如果我们选择更小的时间/格设置值,有效缩短采集时间长度并提高采样率,看看会发生什么。图 2 所示为同一信号,但水平刻度设为 1.2 微秒/格。标准方差现为 1.5 Hz,是我们之前测量结果的千分之一。
 
 
图中文字中英对照
1.5 Hz Standard Deviation :1.5 Hz 标准方差
 
所改变的只是信号的水平刻度以及示波器的采样率。因此,选择适当的示波器水平刻度,对于时间相关测量的质量有很大的影响。
 
与水平刻度对时间相关测量有影响一样,垂直刻度也会对垂直相关测量(电压峰峰值、RMS 等)产生影响。我们再次以同样的 100 kHz 方波为例,来看看峰峰值电压。图 3 中的信号定标为 770 毫伏/格。测量结果峰峰值的标准方差为 18 毫伏。将示波器的伏/格设置降至 66 毫伏/格,则测量结果的标准方差变成 1.22 毫伏。这几乎改善了 15 倍!
 
 

 
 
图中文字中英对照
18 mV Standard Deviation:18 mV 标准方差
1.22 mV Standard Deviation:1.22 mV标准方差 
 
 
垂直刻度设置为什么会起到作用?通过设置信号刻度,使之尽可能填满屏幕,我们就能完全利用示波器的分辨率优势。分辨率是 ADC 能够达到多高精度的标志。分辨率越高, ADC 能检测的垂直电平数量越多。例如,下图所示为一个 2 位 ADC。红色正弦波是 ADC 的模拟输入,蓝色波形是数字化输入。您可以看到,出现了四个不同的量化电平。
 
 
此图所示为 3 位 ADC 对同一模拟波形进行数字化处理的结果。量化电平数越多, ADC 的数字输出就越接近模拟输入。

 
图中文字中英对照
Analog signal:模拟信号
Digitized signal:数字化信号
 
如果垂直定标的信号只填充了示波器屏幕的一部分,那么您实际上没有充分利用 ADC 的分辨率。例如,如果您将信号定标至占据 3 位 ADC 屏幕的一半,那么在信号上方和下方您会分别留下两个未使用的量化电平。这意味着,您的 3 位 ADC 只能使用四个量化电平,相当于一个 2 位 ADC 的精度。
 
了解如何正确地设置示波器信号显示刻度,能极大地改善您的测量质量。适当的水平定标会显著改善时间相关测量的质量,而适当的垂直定标则会对垂直相关测量产生积极影响。下一次使用示波器时,请记住:正确设置信号刻度,可以获得最佳的测量结果! 
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