如何減少示波器幅度測量誤差？

ID:305301 · 發(fā)表于 2018-4-23 14:45

　　在測量過程中看到了一個開始讓我們有點想不通的現(xiàn)象，就是利用示波器測量信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的峰峰值，結(jié)果有些不一致，而且結(jié)果通常偏大。當(dāng)然，我這里采用的這兩臺儀器都是頂尖品質(zhì)的儀器，用于連接的BNC電纜也是高品質(zhì)的。經(jīng)過大家的辯論，我也請教了這方面的高手，也通過具體的實驗，更深一步地了解到了問題的本質(zhì)。這里首先和大家分享一下如何更合理使用示波器，來減少幅度測量誤差。

　　現(xiàn)象：“我用示波器測33220A的正弦波，33220A輸出5Vpp，頻率10KHz。用示波器測出來幅度是5.2V這是為什么？”我們模擬了的客戶的設(shè)置，用BNC線纜連接33220A和安捷倫MSO-X2024A示波器。客戶將垂直分辨率設(shè)為2V/格，結(jié)果為5.2V，如下圖所示。

　　在該設(shè)置下，波形只占用了示波器屏幕兩格半的范圍。也就是說，并沒有充分利用示波器的垂直分辨率，示波器這時會有較大的量化誤差。因此，我們應(yīng)該將垂直分辨率設(shè)為更適合的參數(shù)，一般來說，建議波形占用示波器屏幕6格以上，但不要超過屏幕。

　　如下圖所示，利用示波器的微調(diào)功能，將垂直分辨率設(shè)為740mV/格，測試峰峰值為5.06V。相對之前的結(jié)果，有了很大改善。

　　但測量結(jié)果還是偏大。這是由于我們采用了示波器的峰峰值測量，在這種測量方式下，測量的是信號最大值。由于波形上會有些噪聲信號，測量結(jié)果就是波形的幅度加上噪聲的幅度。從而導(dǎo)致了測量結(jié)果偏大。

　　還有沒有辦法能進(jìn)一步改進(jìn)測試結(jié)果呢？答案是肯定的。如果測試信號是一個周期函數(shù)信號，例如正弦波或方波，可以在示波器的采集模式菜單中，選擇“平均”模式。該模式可以平均多次采集結(jié)果以降低噪聲并提高分辨率。

　　如下圖所示，我選擇了平均模式，測試結(jié)果為4.972V。

　　但這種方法，適合于重復(fù)性非常好的比較簡單的波形。它是捕獲若干個波形后，進(jìn)行平均運行，獲得的測量值。這樣的好處是可以一定程度上消除隨機誤差和噪聲干擾，如果對于更為復(fù)雜的信號，這種方法顯然是不行的，而去回隱藏一下波形本身的問題。這就需要更高分辨率的示波器，或者帶有高分辨率模式的示波器。高分辨率的示波器直接采用12bit的AD，可以有更高的分辨率，從而減小量化誤差。例如安捷倫的9000H系列示波器。但這示波器價格很高，大多數(shù)工程師手中不會有這種東西。但在很多通用的示波器中都有高分辨率模式，它通過數(shù)學(xué)運算的方式，將8bit的AD提升為10-12比特，這樣也可以減少測量誤差。

以下這張截屏就是我們利用安捷倫的33220A20MHz波形發(fā)生器產(chǎn)生5Vpp的正弦波，同時利用安捷倫MSOX2024A示波器測量到的波形。測量值是5.01V，非常接近于波形發(fā)生器的輸出設(shè)定值！這種方法同樣適用于非重復(fù)的波形。

下面客戶遇到的問題：

“我用33220A輸出10Hz，5Vpp值的正弦波，怎么示波器測出來只有3.5Vpp啊？如果我把33220A的幅度設(shè)為1KHz，示波器測出來就對了。低頻信號輸出不正常啊！是不是你這臺33220A有質(zhì)量問題啊？”有位用戶很生氣地給我們打電話來。

通過與客戶的溝通，發(fā)現(xiàn)他認(rèn)為自己測試的是交流信號，所以把示波器的耦合方式設(shè)置為AC耦合。殊不知，選擇AC耦合后，示波器會把一個3.5Hz高通濾波器（以安捷倫2000X系列示波器為例）與輸入波形串聯(lián)，導(dǎo)致示波器測量值偏小。只要將耦合方式設(shè)置為DC耦合，就能得到正確的結(jié)果了。

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