如何使用示波器或數(shù)字化儀進(jìn)行更好的測(cè)量

現(xiàn)代示波器和數(shù)字化儀變得越來(lái)越好。更高的帶寬、更好的垂直分辨率和更長(zhǎng)的采集存儲(chǔ)器。更不用說(shuō)更多用于特定應(yīng)用測(cè)量的固件工具了。借助所有這些高級(jí)分析功能，有時(shí)很難記住一些非常古老且簡(jiǎn)單的規(guī)則，這些規(guī)則可以提高測(cè)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(dòng)態(tài)范圍

數(shù)字儀器將其輸入信號(hào)饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 ADC的動(dòng)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(hào)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(huì)降低 ADC 的總動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)用戶在屏幕上設(shè)置多個(gè)軌跡時(shí)，可能會(huì)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(gè)顯示網(wǎng)格。如果您嘗試在全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)顯示多個(gè)信號(hào)跡線，信號(hào)會(huì)重疊，從而難以查看它們。大多數(shù)面臨這個(gè)問(wèn)題的人都會(huì)減少每個(gè)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(gè)跡線都適合屏幕，沒(méi)有重疊。問(wèn)題解決了嗎?并不真地。您只需將動(dòng)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(hào)，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(hào)。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(huì)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(duì)衰減跡線進(jìn)行的測(cè)量會(huì)增加不確定性。對(duì)于具有多個(gè)網(wǎng)格顯示的示波器或數(shù)字化儀來(lái)說(shuō)，這不是問(wèn)題，每個(gè)網(wǎng)格都以全動(dòng)態(tài)范圍顯示信號(hào)，并且可以比較多個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都在自己的網(wǎng)格中。如果您無(wú)法使用多網(wǎng)格示波器，請(qǐng)確保對(duì)全幅度信號(hào)進(jìn)行任何測(cè)量，保留衰減信號(hào)僅用于視覺(jué)比較。

通過(guò)消除噪聲提高動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度

使用平均或?yàn)V波形式的信號(hào)處理來(lái)降低噪聲、提高動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度。整體平均(其中每次采集的第n 個(gè)樣本在多次采集中一起平均)可減少與平均信號(hào)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(hào)，以實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量。它確實(shí)需要多次收購(gòu)。

對(duì)于單次采集，您可以通過(guò)限制信號(hào)帶寬來(lái)降低噪聲。動(dòng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍二比一的改進(jìn)。這假設(shè)信號(hào)具有低帶寬并且不受帶寬減少的影響。通過(guò)消除噪聲來(lái)提高采集的動(dòng)態(tài)范圍。

獲取的信號(hào)是指數(shù)衰減的正弦波。頂部軌跡顯示原始采集。請(qǐng)注意，信號(hào)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(hào)。平均和濾波都可以降低噪聲并提高測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過(guò)任一類型的信號(hào)處理后，信號(hào)都可以清晰辨別。

提高光標(biāo)測(cè)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(dòng)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(shí)間或幅度。波形是鍵控射頻載波，水平相對(duì)光標(biāo)用于測(cè)量射頻突發(fā)的寬度。這是儀器的自動(dòng)測(cè)量參數(shù)無(wú)法進(jìn)行的測(cè)量。光標(biāo)水平讀數(shù)出現(xiàn)在時(shí)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(shí)間嗎?答案是否定的。該波形采集了 200 萬(wàn)個(gè)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(lái)減少顯示點(diǎn)的數(shù)量。它們?cè)O(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(cè)量的更準(zhǔn)確方法是使用縮放跡線在 RF 突發(fā)開(kāi)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(kāi)始和結(jié)束?？s放軌跡中的樣本計(jì)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(hào)和縮放軌跡。縮放跡線 Z1(黃色跡線)上的光標(biāo)標(biāo)記從過(guò)零開(kāi)始的 RF 突發(fā)的開(kāi)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(zhǎng)度為 8.33295 ms，這是一個(gè)更準(zhǔn)確的結(jié)果。

內(nèi)置測(cè)量參數(shù)

示波器和數(shù)字化儀支持軟件提供內(nèi)置測(cè)量參數(shù)。大多數(shù)示波器包括大約二十個(gè)或更多常見(jiàn)測(cè)量參數(shù)，例如幅度、頻率、上升時(shí)間和下降時(shí)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(gè)。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量通?；?IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 181，該標(biāo)準(zhǔn)采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)脈沖波形進(jìn)行測(cè)量。

脈沖頂部和底部的幅度值是通過(guò)形成所采集的波形樣本的直方圖來(lái)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(gè)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(cè)量的統(tǒng)計(jì)平均值可以抑制噪聲、過(guò)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(guò)沖。同樣，波形最小值與基值之間的差值就是負(fù)過(guò)沖。脈沖寬度是前沿和后沿穿過(guò)頂部和底部之間的中間幅度或中值的時(shí)間差。波形的峰峰值是最大和最小幅度之間的差。過(guò)渡時(shí)間測(cè)量(如上升時(shí)間和下降時(shí)間)測(cè)量脈沖幅度從 90% 過(guò)渡到 10% 的時(shí)間。如果波形不是脈沖，測(cè)量引擎會(huì)看到這一點(diǎn)，因?yàn)椴ㄐ沃狈綀D的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個(gè)峰值。在這種情況下，幅度測(cè)量將恢復(fù)為峰峰值測(cè)量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測(cè)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(guò)渡時(shí)間測(cè)量(如上升時(shí)間和下降時(shí)間)測(cè)量脈沖幅度從 90% 過(guò)渡到 10% 的時(shí)間。如果波形不是脈沖，測(cè)量引擎會(huì)看到這一點(diǎn)，因?yàn)椴ㄐ沃狈綀D的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個(gè)峰值。在這種情況下，幅度測(cè)量將恢復(fù)為峰峰值測(cè)量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測(cè)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(guò)渡時(shí)間測(cè)量(如上升時(shí)間和下降時(shí)間)測(cè)量脈沖幅度從 90% 過(guò)渡到 10% 的時(shí)間。如果波形不是脈沖，測(cè)量引擎會(huì)看到這一點(diǎn)，因?yàn)椴ㄐ沃狈綀D的數(shù)量多于或少于定義脈沖的兩個(gè)峰值。在這種情況下，幅度測(cè)量將恢復(fù)為峰峰值測(cè)量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測(cè)量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。測(cè)量引擎會(huì)看到這一點(diǎn)，因?yàn)椴ㄐ沃狈綀D多于或少于定義脈沖的兩個(gè)峰值。在這種情況下，幅度測(cè)量將恢復(fù)為峰峰值測(cè)量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測(cè)量狀態(tài)圖標(biāo)指示波形不是脈沖。測(cè)量引擎會(huì)看到這一點(diǎn)，因?yàn)椴ㄐ沃狈綀D多于或少于定義脈沖的兩個(gè)峰值。在這種情況下，幅度測(cè)量將恢復(fù)為峰峰值測(cè)量，并使用參數(shù)讀數(shù)下方的測(cè)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(cè)量參數(shù)進(jìn)行的測(cè)量都比使用光標(biāo)進(jìn)行的測(cè)量準(zhǔn)確得多。它們也是自動(dòng)生成的，節(jié)省了大量時(shí)間。

測(cè)量統(tǒng)計(jì)

儀器測(cè)量值在不同測(cè)量值之間有何不同?測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)回答了這個(gè)問(wèn)題。許多儀器都包含統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及基本測(cè)量參數(shù)。

某些示波器包括所有實(shí)例測(cè)量。與時(shí)間相關(guān)的測(cè)量(例如頻率和寬度)會(huì)為所測(cè)量波形的每個(gè)周期報(bào)告一個(gè)值。如果屏幕上有 100 個(gè)信號(hào)周期，測(cè)量引擎會(huì)為每次采集添加 100 個(gè)測(cè)量值。與幅度相關(guān)的測(cè)量?jī)H在每次采集時(shí)添加一個(gè)值。您可以通過(guò)多次采集獲得大量測(cè)量值。測(cè)量統(tǒng)計(jì)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(kāi))列出了采集中測(cè)量的最后一個(gè)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(cè)量的總?cè)丝?。它還包括狀態(tài)指示器和所有測(cè)量值的標(biāo)志性直方圖。

幅度測(cè)量報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中包含 11,873 個(gè)值。均值或平均值為 237.5457 mV。平均值以比上一個(gè)值更高的分辨率報(bào)告，因?yàn)槠骄凳瞧骄?。正如我們?cè)诓ㄐ沃锌吹降模骄^(guò)程提高了測(cè)量的垂直分辨率，如果對(duì)多個(gè)測(cè)量進(jìn)行平均，也會(huì)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(bào)告為最大值，最小值為 234.8 mV。這些值可以幫助檢測(cè)采集期間發(fā)生的瞬態(tài)事件。其他工具可以繪制測(cè)量值與時(shí)間的關(guān)系圖，以查看瞬態(tài)事件何時(shí)發(fā)生，并及時(shí)將其與可能的來(lái)源進(jìn)行匹配。

標(biāo)準(zhǔn)差描述了測(cè)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(duì)于理解測(cè)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(cè)量值進(jìn)行更詳細(xì)的分析。所有這些測(cè)量工具都有助于了解特定測(cè)量的動(dòng)態(tài)。了解測(cè)量分布使您能夠建立信號(hào)的測(cè)試限值。

結(jié)論

這些工具和技術(shù)可以幫助提高儀器的測(cè)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(huì)和應(yīng)用說(shuō)明中收集。您對(duì)儀器了解得越多，您的測(cè)量結(jié)果就越準(zhǔn)確和可靠。