标签: 减少示波器测量误差

在我 3 月 17 日的文章 有奖辩论：究竟该相信谁，示波器还是信号发生器？ 中，我们谈到了在测量过程中看到了一个开始让我们有点想不通的现象，就是利用示波器测量信号发生器产生信号的峰峰值，结果有些不一致，而且结果通常偏大。当然，我这里采用的这两台仪器都是顶尖品质的仪器，用于连接的 BNC 电缆也是高品质的。 经过大家的辩论，我也请教了这方面的高手，也通过具体的实验，更深一步地了解到了问题的本质。这里首先和大家分享一下如何更合理使用示波器， 来减少幅度测量误差。   现象： “我用示波器测 33220A 的正弦波， 33220A 输出 5Vpp ，频率 10KHz 。用示波器测出来幅度是 5.2V ？这是为什么？” 我们模拟了的客户的设置，用 BNC 线缆连接 33220A 和安捷伦 MSO-X 2024A 示波器。客户将垂直分辨率设为 2V/ 格，结果为 5.2V ，如下图所示。     在该设置下，波形只占用了示波器屏幕两格半的范围。也就是说，并没有充分利用示波器的垂直分辨率， 示波器这时会有较大的量化误差。因此，我们应该将垂直分辨率设为更适合的参数，一般来说，建议波形占用示波器屏幕 6 格以上，但不要超过屏幕。   如下图所示，利用示波器的微调功能，将垂直分辨率设为 740mV/ 格，测试峰峰值为 5.06V 。相对之前的结果，有了很大改善。     但测量结果还是偏大。这是由于我们采用了示波器的峰峰值测量，在这种测量方式下，测量的是信号最大值。 由于波形上会有些噪声信号，测量结果就是波形的幅度加上噪声的幅度。从而导致了测量结果偏大。   还有没有办法能进一步改进测试结果呢？答案是肯定的。 如果测试信号是一个周期函数信号，例如正弦波或方波，可以在示波器的采集模式菜单中，选择“平均”模式。该模式可以平均多次采集结果以降低噪声并提高分辨率。   如下图所示，我选择了平均模式，测试结果为 4.972V 。       但这种方法，适合于重复性非常好的比较简单的波形。它是捕获若干个波形后，进行平均运行，获得的测量值。这样的好处是可以一定程度上消除随机误差和噪声干扰，如果对于更为复杂的信号，这种方法显然是不行的， 而去回隐藏一下波形本身的问题。这就需要更高分辨率的示波器，或者带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，从而减小量化误差。 例如安捷伦的 9000H 系列示波器。但这示波器价格很高，大多数工程师手中不会有这种东西。但在很多通用的示波器中都有高分辨率模式，它通过数学运算的方式， 将 8bit 的 AD 提升为 10-12 比特，这样也可以减少测量误差。   以下这张截屏就是我们利用安捷伦的 33220A 20MHz 波形发生器产生 5Vpp 的正弦波， 同时利用安捷伦 MSOX2024A 示波器测量到的波形。 测量值是 5.01V ， 非常接近于波形发生器的输出设定值！这种方法同样适用于非重复的波形。     关于示波器的平均模式和高分辨率模式的差异，我将在以后的文章中介绍到。   还有一个小故事，也是我们遇到的：   “我用 33220A 输出 10Hz ， 5Vpp 值的正弦波，怎么示波器测出来只有 3.5Vpp 啊？如果我把 33220A 的幅度设为 1KHz ，示波器测出来就对了。低频信号输出不正常啊！是不是你这台 33220A 有质量问题啊？”有位用户很生气地给我们打电话来。   通 过与客户的沟通，发现他认为自己测试的是交流信号，所以把示波器的耦合方式设置为 AC 耦合。殊不知，选择 AC 耦合后，示波器会把一个 3.5Hz 高通滤波器（以安捷伦 2000X 系列示波器为例）与输入波形串联，导致示波器测量值偏小。只要将耦合方式设置为 DC 耦合，就能得到正确的结果了。