讓示波器測量質量提升1000倍的方法
您是否希望示波器測量盡可能最好?不要滿足于普通的測量;只需正確選擇信號的顯示刻度,即可顯著提升測量質量。為什么?因為示波器的采樣率和分辨率在測量中同樣重要。
采樣率受示波器水平刻度的影響。
其公式為:采樣率=存儲深度/采集時間長度
存儲深度是一個恒定值,采集時間長度(或跡線長度)是一個變量,取決于您的每格時間設置。隨著時間/格設定值增加,采集時間長度增加。由于這一切都必須適應示波器的存儲深度,在某一點上,示波器的ADC將不得不降低采樣率。這實際上意味著什么?我們以100kHz方波的頻率測量為例。我們知道頻率為100kHz且非常穩定,因此我們可以利用測量結果的標準方差來判斷測量的質量。圖1將100kHz方波的水平顯示刻度設置為滿刻度20毫秒。并且,示波器的采樣率已自動從5GSa/秒下降到100MSa/秒,以使整個跡線能夠保存到示波器的存儲器中。在大約1500次測量后,測量的標準方差為1.49kHz(約1.5%)。
圖1
但是,如果我們選擇更小的時間/格設置值,有效縮短采集時間長度并提高采樣率,看看會發生什么。圖2所示為同一信號,但水平刻度設為1.2微秒/格。標準方差現為1.5Hz,是我們之前測量結果的千分之一。
圖2
所改變的只是信號的水平刻度以及示波器的采樣率。因此,選擇適當的示波器水平刻度,對于時間相關測量的質量有很大的影響。
與水平刻度對時間相關測量有影響一樣,垂直刻度也會對垂直相關測量(電壓峰峰值、RMS等)產生影響。我們再次以同樣的100kHz方波為例,來看看峰峰值電壓。圖3中的信號定標為770毫伏/格。測量結果峰峰值的標準方差為18毫伏。將示波器的伏/格設置降至66毫伏/格,則測量結果的標準方差變成1.22毫伏。這幾乎改善了15倍!
圖3
圖4
垂直刻度設置為什么會起到作用?通過設置信號刻度,使之盡可能填滿屏幕,我們就能完全利用示波器的分辨率優勢。分辨率是ADC能夠達到多高精度的標志。分辨率越高,ADC能檢測的垂直電平數量越多。例如,下圖所示為一個2位ADC。紅色正弦波是ADC的模擬輸入,藍色波形是數字化輸入。您可以看到,出現了四個不同的量化電平。
圖5
此圖所示為3位ADC對同一模擬波形進行數字化處理的結果。量化電平數越多,ADC的數字輸出就越接近模擬輸入。
圖6
如果垂直定標的信號只填充了示波器屏幕的一部分,那么您實際上沒有充分利用ADC的分辨率。例如,如果您將信號定標至占據3位ADC屏幕的一半,那么在信號上方和下方您會分別留下兩個未使用的量化電平。這意味著,您的3位ADC只能使用四個量化電平,相當于一個2位ADC的精度。
了解如何正確地設置示波器信號顯示刻度,能極大地改善您的測量質量。適當的水平定標會顯著改善時間相關測量的質量,而適當的垂直定標則會對垂直相關測量產生積極影響。下一次使用示波器時,請記住:正確設置信號刻度,可以獲得**的測量結果!