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標題: 如何減小示波器垂直量測量偏差 [打印本頁]

作者: Ameya360電子 時間: 2018-5-30 17:17
標題: 如何減小示波器垂直量測量偏差

示波器用戶在進行幅值/峰值等垂直量測量時，偶然遇到測量結果與預期稍有偏差，測量不夠準確的問題，使用戶對示波器的測量精度產生了質疑，在這里說說示波器幅值/峰值等垂直量測量為什么出現測量偏差，針對這種現象將如何改進從而減少測量誤差。

示波器垂直量測量出現偏差的原因歸結為以下四點：
① 低頻補償調節與否；
② 示波器的底噪干擾對測量的影響；
③ 示波器的幅頻特性曲線差異；
④ 示波器的垂直分辨率對測量的影響。
當然示波器測量精度不一定比得上高精度的萬用表，所以若要在示波器垂直量測量中測出比較準確的數據需要掌握正確的操作技巧。
1、低頻補償調節與否
低頻補償（LFC）需要使用kHz范圍內的方波（通常為1KHz 或10KHz）來調整X10檔探頭的頻率響應。在進行低頻補償時，使用探頭連接kHz方波信號，若出現過補償或欠補償的情況，可以用低頻調節棒調節探頭的低頻補償電容至方波平頂即可。

圖1 波形補償情況

為何一定要進行低頻補償？
如下圖2所示為探頭與示波器輸入端相連時的內部電路圖，R1是一個9MΩ的串行電阻，與示波器輸入端1MΩ輸入電阻組成10:1的衰減器，可有效減少輸入電容，有利于高頻信號的測量。
使用X10檔探頭測量信號時，隨著信號頻率的增加，容性負載的影響就越明顯，此時探頭主體中探針、電纜存在寄生電容（Cp、Cc）會造成探頭與示波器的阻抗不匹配（R1xC1≠R2x（C2+Cc）），從而影響信號測量。
由于寄生電容的不一致性，所以需要將C1做成可調電容，用來補償寄生電容的影響，使得R1xC1=R2x（C2+Cc），從而使探頭與示波器得以匹配。由于R1、R2的阻值比較大，所以R1、C1、R2、C2形成的極點頻率比較低，所以該電容又稱為低頻補償電容。

圖2 探頭補償電路

低頻補償對信號垂直量測量的影響：
以測量正弦波的峰峰值為例，在欠補償的情況下，波形的垂直量將會偏小，過補償的情況下，垂直量將會偏大，如下圖3所示。

圖3 不同補償下波形幅值的變化

2、示波器的底噪的干擾對測量的影響
底噪：
通常是指示波器的“基線本底噪聲”，在示波器的模擬前端和數字轉換過程造成的垂直噪聲。底噪的大小用信噪比來表示，該值越大，代表該信號的噪聲干擾越小，即測量儀器的底噪越小。
底噪對垂直量測量的影響：
底噪在示波器屏幕上表現出來就是當示波器置于最靈敏的垂直檔位時產生的噪聲波形。當然，示波器的底噪與儀器使用的器件、硬件設計、信號處理等各方面都有關系，所以不同公司或不同型號的示波器底噪不同，如圖4所示。

圖4 不同公司的示波器底噪不同

⑴ 當示波器的底噪較大時，將會掩蓋住小信號，影響微小信號測量的準確度，導致測量垂直量不準確；
⑵ 當示波器的底噪較低，則信號的測量就會比較準確；
如下圖5所示的例子，給兩不同公司的示波器輸入一個峰峰值為4mV的正弦信號，并分別測量其峰峰值從而了解底噪對測量的影響。

圖5 不同公司的示波器峰峰值測量對比

若測量中想減小底噪干擾對測量的影響，可以使用以下方法：
示波器的捕獲模式使用“平均”捕獲，平均捕獲可以將多次觸發的周期信號進行平均顯示，使信號在某個值附近微小浮動，更接近真實值，以減少噪聲的影響。
示波器可使用“數字濾波”的方式在低通濾波（高通濾波）下將大于截止頻率（小于截止頻率）噪聲信號進行濾除，提高測量的準確性。
3、示波器的幅頻特性曲線
帶寬：指示波器模擬前端的模擬帶寬。它的大小直接決定了示波器可測量的信號頻段范圍。
具體的說示波器帶寬：指示波器測得正弦波的幅度不低于真實正弦波信號-3dB幅度（即真實信號幅度的70.7%）時的最高頻率，也稱-3dB截止頻率點。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準確顯示能力都將會下降，如圖6所示為理想的幅頻特性曲線。
示波器的幅頻特性曲線：指的是示波器信號的幅值隨信號頻率的增加而變化的曲線。

圖6 理想幅頻特性曲線

從上圖6可知，當被測信號的頻率等于示波器的帶寬（fBW）時，幅值測量結果誤差大約為30%。信號頻率小于f0的幅值基本無衰減，在f0~fBW 之間信號開始慢慢衰減，大于fBW 信號衰減越來越嚴重，所以若想使信號幅值衰減小，則被測信號的頻率應小于帶寬的值很多。
圖7所示為理想的幅頻特性曲線，但是實際上的示波器的幅頻特性曲線的形狀不可能是理想的。不同型號的示波器幅頻特性可能不一樣，但都會盡量趨近于理想曲線的形狀。

圖7 實際的幅頻特性曲線

圖7為非理想幅頻特性曲線示意圖，不同的示波器不同的幅頻特性曲線它們的平坦度是有差異的，但是帶內衰減都在-3dB以內，均符合標準。因此不同示波器在同一個頻率點的信號其幅值衰減可能不同，這就導致了不同示波器在幅值測量上有偏差的原因。
4、示波器的垂直分辨率對測量的影響
一般數字示波器采用的都是8位ADC，對任何一個波形值都是用256個0和1來重組。假設示波器垂直方向滿量程為8格，對應量化級數256。在垂直檔位為500mV/div的情況下，垂直精度為（500mV*8）/256=15.625 mV。測量同一個信號，在垂直檔位為50mV/div的情況下，即（50mV*8）/256=1.5625 mV，垂直精度就達到了1.5625 mV。

圖8 測量精度

在實際測量中，由于測量波形的幅值不一樣，故垂直檔位設置也會不一樣，但是為了盡量使測量準確，可進行以下操作：
使測試信號幅值盡量占到屏幕6div左右。例如一個峰峰值為7Vpp的正弦波，垂直檔位應設為1V/div，而不是2V/div或5V/div。實際上，這涉及到一個電壓分辨率的問題， ZDS4054 plus示波器ADC的量化分辨率25LSB/div。例如在1V/div電壓下，電壓分辨率為40mv，而當10V/div時，電壓分辨率為400mv。可知在1V/div下，測量值有更高的分辨率，測量值更準確。
綜上所示，示波器能夠觀測波形變化整體趨勢，核心在于高帶寬、高采樣率、高刷新率，傾向于高速信號測量。若想進行低速信號高精度垂直量測量建議使用高精度的萬用表和功率分析儀。
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