现代示波器和数字化仪的使用规则

作者：Arthur Pini

现代示波器和数字化仪越来越好。更高的带宽、更好的垂直分辨率和更长的采集内存。更不用说更多用于特定应用测量的固件工具了。借助所有这些高级分析功能，有时很难记住一些非常古老且简单的规则，这些规则可以提高测量的准确性和精度。这里有一些好主意可以提供帮助。

使用仪器前端的完整动态范围

数字仪器将其输入信号馈送到模数转换器 (ADC)。ADC 的动态范围与其分辨率位数有关。该仪器使用衰减器或放大器将输入信号与 ADC 输入电压范围相匹配。如果 ADC 的输入小于其输入范围，则会降低 ADC 的总动态范围。当用户在屏幕上设置多个跟踪时，可能会发生这种情况。

一些示波器和数字化仪显示软件仅提供单个显示网格。如果您尝试在全动态范围内显示多条信号迹线，则信号会重叠，从而难以查看。大多数面临这个问题的人都会减少每个通道的垂直缩放。如果您有四条迹线，只需将每格电压设置增加四倍。现在，每条迹线仅占据屏幕的四分之一，并且所有四条迹线都适合屏幕，没有重叠。问题解决了?并不真地。您只是将动态范围减少了两位，您将 8 位示波器变成了 6 位示波器。你衰减了信号，但是仪器的内部噪声是一样的，信噪比现在差了两位。 图 1显示了动态范围损失的影响。

图1 降低信号幅度以在单个网格上拟合多条迹线导致信噪比降低的示例。

底部网格显示以 50mV/格获得的原始信号。顶部迹线显示在全屏的四分之一或 200mV/格处获取的迹线。如果您垂直扩展衰减的迹线并以原来的 50mV/格显示，则垂直噪声显着增加，您可以从显示的迹线变粗看出。由于较差的信噪比，对衰减迹线进行的测量会增加不确定性。对于具有多个网格显示的示波器或数字化仪来说，这不是问题，每个网格都以全动态范围显示信号，并且可以比较多个信号，每个信号都在自己的网格中。如果您无法使用多网格示波器，请确保对全幅度信号进行任何测量。

通过消除噪声提高动态范围和测量精度

使用平均或滤波形式的信号处理来降低噪声、提高动态范围和测量精度。整体平均，其中每次采集的第 n个样本在多次采集中一起平均，降低了与平均信号数量的平方根成比例的高斯噪声。这可以从背景噪声中带出低电平信号，以实现更好的测量。它确实需要多次收购。

对于单次采集，您可以通过限制信号的带宽来降低噪声。动态范围的提高与带宽降低的平方根成正比。将带宽减少四倍，以实现动态范围的二比一改进。这假设信号具有低带宽并且不受带宽减少的影响。图 2显示了使用平均或滤波可以实现的改进。

图 2对多个采集进行平均或对单个采集进行滤波可以通过消除噪声来提高采集的动态范围。

获取的信号是指数衰减的正弦波。顶部轨迹显示原始采集。请注意，信号在屏幕四分之三处消失在噪音中。中心轨迹显示多次采集的平均值。在底部轨迹中，已将高斯低通滤波器应用于采集的信号。平均和滤波都可以降低噪声并提高测量的动态范围。经过任何一种信号处理后，信号都清晰可辨。

提高光标测量的准确性

光标是垂直和/或水平线，可以在示波器或数字化仪显示器上移动以标记波形上的重要点。光标读数显示光标位置处波形的时间或幅度，如图 3所示。波形是键控射频载波，水平相对光标用于测量射频脉冲的宽度。这是使用仪器的自动测量参数无法进行的测量。光标水平读数出现在时基注释框的右下角，读数为 8.06275 µs。

图 3水平相对光标用于测量射频脉冲突发的持续时间。

这真的是爆发的持续时间吗?答案是不。该波形在采集中有 200 万个样本。水平屏幕分辨率为 1920 像素。因此，很明显并非所有样本都显示在屏幕上。仪器制造商应用压缩算法来减少显示点的数量。他们设法显示像峰值这样的重要点，但除非你扩大显示，否则你仍然看不到很多。

进行此测量的更准确方法是使用缩放轨迹水平扩展 RF 突发开始和结束处的波形，如图 4所示。

图 4使用缩放轨迹在脉冲串的第一个和最后一个采样点更准确地放置光标。

缩放轨迹 Z1 和 Z2 水平扩展突发的开始和结束。缩放轨迹中的样本计数小于屏幕分辨率，因此不使用压缩算法。光标跟踪采集的信号和缩放轨迹。缩放迹线 Z1(黄色迹线)上的光标标志着射频脉冲的开始，该脉冲从零交叉处开始。缩放轨迹 Z2(红色轨迹)上的光标标记了脉冲串的结束。光标水平读数显示突发长度为 8.33295 ms，结果更准确。

内置测量参数

示波器和数字化仪支持软件提供内置测量参数。大多数示波器包括大约二十个或更多常见的测量参数，例如幅度、频率、上升时间和下降时间等等。特定应用的软件包可以将可用参数的数量增加到一百多个。标准参数测量通常基于 IEEE 标准 181，该标准采用统计技术对脉冲波形进行测量，如图 5所示。

图 5 IEEE 标准 181 将脉冲测量参数建立在对测量脉冲的顶值和底值的统计确定上。

脉冲顶部和底部的幅度值是通过形成波形采集样本的直方图来确定的，这在屏幕右侧显示为插图。方波或脉冲波形将具有具有两个不同峰值的直方图。上直方图峰值的平均值或平均值称为“顶部”。较低值峰值的平均值称为波形的“基值”。使用许多脉冲测量的统计平均值可以抑制波形畸变的影响，例如噪声、过冲和振铃。脉冲幅度是顶部和底部之间的差异。波形的最大值减去顶部是正过冲。同样，波形最小值与底数之差为负过冲。脉冲宽度是跨越顶部和底部之间的中间幅度或中间值的前沿和后沿之间的时间差。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。转换时间测量，如上升和下降时间，测量从脉冲幅度的 90% 到 10% 的转换时间。如果波形不是脉冲，则测量引擎会看到这一点，因为波形直方图具有多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下的测量状态图标指示波形不是脉冲的事实。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。转换时间测量，如上升和下降时间，测量从脉冲幅度的 90% 到 10% 的转换时间。如果波形不是脉冲，则测量引擎会看到这一点，因为波形直方图具有多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下的测量状态图标指示波形不是脉冲的事实。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。转换时间测量，如上升和下降时间，测量从脉冲幅度的 90% 到 10% 的转换时间。如果波形不是脉冲，则测量引擎会看到这一点，因为波形直方图具有多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下的测量状态图标指示波形不是脉冲的事实。测量引擎会看到这一点，因为波形直方图的峰值多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下的测量状态图标指示波形不是脉冲的事实。测量引擎会看到这一点，因为波形直方图的峰值多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下的测量状态图标指示波形不是脉冲的事实。

在几乎所有情况下，使用测量参数进行的测量都比使用光标进行的测量准确得多。它们也是自动制作的，可以节省大量时间。

测量统计

仪器测量如何因测量而异?测量统计回答了这个问题。许多仪器包括统计报告以及基本测量参数，如图 6所示。

图 6测量统计记录测量值在多次测量中如何变化，
显示最后一个值、平均值、最小值、最大值、标准偏差和总人口。

一些示波器包括所有实例测量。与时间相关的测量，如频率和宽度，会为测量波形的每个周期报告一个值。如果屏幕上有 100 个信号周期，则测量引擎会为每次采集添加 100 个测量值。幅度相关的测量每次采集仅添加一个值。您可以在多次采集中采集大量测量值。测量统计提供了非常有用的数据视图。波形显示下方的表格(以蓝色框展开)列出了采集中最后测量的值、所有采集值的平均值、集合的最小值和最大值、集合的标准偏差以及所有测量的总人口。

幅度测量报告统计中包含 11,873 个值。平均值或平均值为 237.5457 mV。平均值的报告分辨率比最后一个值高，因为平均值是平均值。正如我们在波形中看到的，对平均过程进行平均提高了测量的垂直分辨率，如果对多次测量进行平均，也会发生同样的情况，因此平均值中的数字更重要。

最大值为 241.5 mV，报告为最大值，最小值为 234.8mV。这些值有助于检测采集期间发生的瞬态事件。其他工具可以绘制测量值与时间的关系图，以查看瞬态事件何时发生并将它们与可能的来源及时匹配。

标准偏差描述了测量值关于平均值的分布，在本例中为 826 µV。平均值和标准差有助于理解测量值的分布，就像图标直方图一样。可以扩展标志性直方图以查看完整大小的直方图，以便使用其自己的直方图测量值进行更详细的分析。所有这些测量工具都有助于了解特定测量的动态。对测量分布的了解使您能够建立信号的测试限制。

结论

这些工具和技术有助于提高仪器的测量精度和可靠性。其他技巧可以从制造商的网络研讨会和应用说明中收集。您对仪器了解得越多，您的测量结果就越准确可靠。

Arthur Pini 是一位技术支持专家和电气工程师，在电子测试和测量领域拥有超过 50 年的经验。