如何提高示波器测量准确度

在示波器测量中出现准确度不够的问题比较常见，特别是在测量微弱小信号、相位噪声、小电压纹波、大电压中的小电压信号等更容易出现明显的误差。因此，工程师在测量前充分了解影响示波器测量准确度的因素、掌握其使用技巧就显得尤为重要。当然，提高测量准确度最有效的解决办法是增加ADC位数，美国力科公司(LeCroy)率先推出12位ADC示波器WaveRunner HRO 6Zi系列，使得示波器在测量准确度方面有了明显的改观。

影响测量准确度的因素

影响示波器测量准确度有很多因素，具体又分为垂直量的测量准确度影响因素和水平量的测量准确度影响因素。其中垂直量方面，它包括示波器本身的原因，如DC增益误差、系统非线性度、偏置电路误差、频率响应曲线、量化误差；探头及测试环境的原因，如探头的地线影响(地线长短、地环路的位置、形状等)、探头的负载效应在不同频率下的值不恒定、 接近探头前端的寄生参数、 探头摆放的位置、探头与探头之间的影响。水平量方面，包括采样率、带宽、幅值误差和垂直噪声、孔径误差、触发抖动、插值误差及时基稳定性等。这两个方面的因素又相互影响，不能完全绝对地分开来考虑。

在以上诸多测量准确度的影响因素中，量化误差的影响是最具决定性的，特别是在测量微弱小电压信号和特大电压信号时。举例来说，在100V/div时测出来的20V信号，实际上不到20mV，所以测量800V的高压，20V的误差是非常正常的。量化误差是一个偏差值，在连续的模拟信号转换为数字信号的离散化过程中，由于没有无限数量的离散化数字电平来重组连续的模拟信号，因此，实际的模拟电压值与对应的数字化电平值之间总会有偏差，这个偏差值就叫量化误差。量化级数指的是将最大值均等的级数，每一个均值的大小称为一个量化单位。量化级数越多，量化误差则越小。所以ADC的位数越高，量化误差越小，测量精度也就越高，这就好比刻度尺的最小刻度越小一样。据力科公司中国区市场经理汪进进介绍，相比传统的8位ADC示波器，12位ADC的台阶数有4,096个，测量相同电压值的最小“步进”比8位ADC小16倍，因此量化误差小得多。具体来说用12位ADC示波器测量8V信号，最小可检测到的电压值是1.95mV, 而8位ADC最小只能检测到31.3mV。

提高准确度的使用技巧

正因为上述这些影响测量准确度的因素，示波器的测量不可避免存在一定的误差。所以对工程师来讲，一方面需要了解这些影响准确度的因素，才能更好地理解示波器各种参数的指标和测量结果；另一方面，对于仪器本身固有的、无法消除的影响因素，可以通过正确地操作示波器和使用测量技巧来减小误差。下面是几个比较实用的提高示波器测量准确度的原则和技巧。

1. 在现有条件的基础上最小化量化误差，即尽量让测量波形占满栅格，充分利用ADC的范围。

2. 时刻警惕采样率，要过采样而不要欠采样。比如测量波形频率时如果采样率太低会出现混叠现象，那么测量的结果就是错误的。

3. 利用测量统计功能。因为波形的形状是不稳定的，因此示波器每次捕获到的波形测量结果不一样。利用测量统计可以发现电路性能最坏的情况和一些间歇性信号的参数值，这是判断关键信号特征是否在规格范围之内的一种好方法。

4. 利用平均算法和滤波功能。对于周期重复性的信号，稳定触发后利用多次测量求平均值减小信号噪声所带来的误差，平均算法同样会减弱由示波器模拟前端和探头引入的噪声影响。需要注意的是在做这种测量时波形要稳定触发，而且存储深度和采样率要足够。

5. 利用FIR滤波器也能减小噪声。不需要捕获多次的波形进行平均求值，单次捕获就可以，因此可用于无法稳定触发的非周期重复性波形的测量情况。

6. 减小探头对测量准确度的影响，主要是要注意以下几点:1)尽可能地减小探头之间的环路。2)将探头置于合适的位置(比如要将探头的线缆尽可能地远离辐射源，线缆避免缠绕，以避免自身形成环路而拾取更大的空间辐射噪声)。 3)对于差分探头，尽量将探头的正、负线缆耦合到一起，使得正、负线缆受到平衡的空间辐射，以利于共模噪声的消除。

十二位ADC示波器带来的准确度提升

前面提到提高测量准确度最有效的解决办法是增加ADC的位数。力科率先推出12位ADC的示波器WaveRunner HRO 6Zi系列，更高ADC位数的示波器在测量准确度方面有了明显的改观。

第一个改观是可以更准确地测量一些微弱小信号。例如测试ADC输出电压大约10mV微弱小信号时 , 12位ADC示波器可以测量出来，且信噪比达到55dB，全带宽范围内有1mV的灵敏度。如图1可以看出用12位ADC示波器测量显示出的没有噪声的清晰的信号波形。

第二个改观是利用12位ADC示波器可以更准确地测量大电压范围中的小电压信号。如图2中方波幅值上的纹波在逐渐减小，比较12位和8位示波器放大后的波形细节能非常直观地了解到12位ADC带来的高分辨率的优势。

第三个改观是可以用来更准确测量相位噪声。示波器可以通过先在时域测量出信号的相位抖动，然后通过对相位抖动参数变化趋势的追踪进行FFT分析和相应的运算转换得到不同频率处的相位噪声。

第四个改观是通过使用示波器对一个单音/多音信号做FFT分析，可以衡量示波器的动态范围。如图3所示，如果对一个多音信号做FFT分析，由于高次频率分量的信号能量幅度会越来越低，使用12位ADC的示波器可测量到8次频率分量的信号，而8位ADC的示波器由于动态范围较小则无法做到。

电源行业通常需要同时测量电压和电流，而且测量MOSFET开关管电压信号的变化范围达几百伏甚至上千伏，因此在大电压范围内小信号的测量正是12位ADC示波器的应用价值所在。另外，一些重要的信号特征如过冲和下冲、振荡等只能用12位ADC示波器才能准确地捕获，小电压的电源纹波也只能用它才能准确地测量，更高精度的示波器计算电源功率损耗也更准确。 因此，电压测量行业是12位ADC示波器的重要应用领域。此外，12位ADC示波器在医疗电子仪器行业、传感器行业、射频行业也有广阔的应用领域。