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如何使用示波器或数字化仪进行更好的测量

2022-11-03 10:04:22 Arthur Pini 阅读:
现代示波器和数字化仪正变得越来越好——更高的带宽、更好的垂直分辨率和更长的采集内存,更不用说有更多的固件工具可用于特定应用的测量了。有了所有这些高级分析功能,我们对一些简单而又非常古老的可提高测量准确性和精度的规则,有时就很难记住。本文希望通过一些好的实例来为大家提供帮助。

现代示波器和数字化仪正变得越来越好——更高的带宽、更好的垂直分辨率和更长的采集内存,更不用说有更多的固件工具可用于特定应用的测量了。有了所有这些高级分析功能,我们对一些简单而又非常古老的可提高测量准确性和精度的规则,有时就很难记住。本文希望通过一些好的实例来为大家提供帮助。kLLednc

使用仪器前端的完整动态范围

数字仪器会将其输入信号馈送到模数转换器(ADC)。ADC的动态范围与其分辨率位数有关。该仪器会使用衰减器或放大器将其输入信号与ADC的输入电压范围相匹配。如果ADC的输入小于其输入范围,则ADC的总动态范围就会因此降低。当用户在屏幕上设置多条迹线时,就可能会发生这种情况。kLLednc

一些示波器和数字化仪显示软件仅提供单个显示栅格。如果尝试在全动态范围内显示多条信号迹线,则信号就会重叠,从而难以查看。大多数人在面临这个问题时都会减少每个通道的垂直定标。如果有四条迹线,则只是将每格电压设置增加四倍。现在,每条迹线仅占据屏幕的四分之一,这样,所有四条迹线就正好适合屏幕,没有重叠。问题解决了?并不如此。这样做只会将动态范围减少两位,也即将8位示波器变成6位示波器。这会使信号发生衰减,但是仪器内部的噪声是一样的,也即信噪比现在就会差两位。图1显示了动态范围损失的影响。kLLednc

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图1:为了在单个栅格上拟合多条迹线而降低信号幅度,由此导致信噪比降低的一个示例。kLLednc

底部栅格显示了以50mV/格所采集到的原始信号。顶部迹线则显示了以全屏四分之一或200mV/格所采集到的迹线。如果对衰减的迹线进行垂直扩展,以原来的50mV/格对其进行显示,则从所显示的迹线变粗可以看出,垂直噪声将会显著增加。由于信噪比变差,在对衰减迹线进行测量时就会增加其不确定性。对于具有多个栅格显示的示波器或数字化仪来说,这不是问题,每个栅格都会以全动态范围显示信号,并且可对多个信号进行比较,每个信号都在自己的栅格中。如果无法使用多栅格示波器,就需要确保任何测量都是对全幅度信号进行的,而仅保留衰减信号用于视觉比较。kLLednc

通过消除噪声提高动态范围和测量精度

可使用平均形式或滤波形式的信号处理来降低噪声、提高动态范围和测量精度。整体平均法——也即将多次采集中每次采集的第n个样本一起平均——可降低与平均信号数量的平方根成比例的高斯噪声。这可以从背景噪声中恢复出低电平信号,从而实现更好的测量。这确实需要进行多次采集。kLLednc

对于单次采集,可以通过限制信号的带宽来降低噪声。动态范围的提高与带宽降低的平方根成正比。可以将带宽减少四倍,实现动态范围的2:1改进。其先决条件是信号具有低带宽并且不受带宽减少的影响。图2显示了使用平均或滤波可以实现的改进。kLLednc

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图2:可以对多次采集进行平均或对单次采集进行滤波,通过消除噪声来提高采集的动态范围。kLLednc

采集到的信号是呈指数衰减的正弦波。顶部迹线显示了原始采集。请注意,信号在屏幕3/4处消失在了噪声中。中间迹线显示多次采集的平均值。底部迹线中已对所采集的信号施加了高斯低通滤波器。平均和滤波都可以降低噪声并提高测量的动态范围。经过任何一种信号处理后,信号都清晰可辨。kLLednc

提高光标测量的准确性

光标是可以在示波器或数字化仪显示器上移动的垂直和/或水平线,可以用它来标记波形上的重要点。如图3所示,光标读数显示了该波形在光标位置处的时间或幅度。该波形是一种键控射频载波,可使用水平相对光标测量该射频脉冲的宽度。这种测量无法使用仪器的自动测量参数来进行。光标水平读数出现在时基注释框的右下角,读数为8.06275µs。kLLednc

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图3:利用水平相对光标测量射频脉冲串的持续时间。kLLednc

这真的是脉冲串的持续时间吗?答案是否。该波形所采集的样本有200万个。水平屏幕分辨率为1920个像素。因此,很明显,并非所有样本都显示在屏幕上。仪器制造商会运用压缩算法来减少显示点的数量。他们会设法显示像峰值这样的重要点,但除非我们将显示扩大,否则我们仍然会有很多点看不到。kLLednc

进行此测量更准确的方法,是使用缩放迹线水平扩展射频脉冲串开始和结束处的波形,如图4所示。kLLednc

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图4:使用缩放迹线在脉冲串的第一个和最后一个采样点更准确地放置光标。kLLednc

缩放迹线Z1和Z2可以对脉冲串的开始和结束进行水平扩展。缩放迹线中的样本计数小于屏幕分辨率,因此未使用压缩算法。光标会对所采集的信号和缩放迹线进行跟踪。缩放迹线Z1(黄色迹线)上的光标标志着射频脉冲串(从过零点开始)的开始。缩放迹线Z2(红色迹线)上的光标标记了脉冲串的结束。光标水平读数显示脉冲串长度为8.33295ms,结果更准确。kLLednc

内置测量参数

示波器和数字化仪支持软件提供内置测量参数。大多数示波器包括大约二十个或更多常见的测量参数,例如幅度、频率、上升时间和下降时间等等。特定应用的软件包可以将可用参数的数量增加到一百多个。标准参数测量通常基于IEEE 181标准,该标准采用统计技术对脉冲波形进行测量,如图5所示。kLLednc

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图5:IEEE 181标准将脉冲测量参数建立在对被测脉冲基顶和基底幅值的统计测定上。kLLednc

脉冲基顶和基底的幅值是通过形成波形采集样本的直方图来测定的,如屏幕右侧的插图所示。方波或脉冲波形的直方图将具有两个不同峰值。顶部直方图峰值的平均值称为“基顶”,底部峰值的平均值称为波形的“基底”。可使用许多脉冲测量的统计平均值来抑制波形畸变的影响,例如噪声、超调和振铃。脉冲幅度是基顶和基底之间的差异。波形的最大值减去基顶是正超调;同样,波形最小值与基底之差为负超调。脉冲宽度是跨越基顶和基底之间的中间幅度或中间值的前沿和后沿之间的时间差。波形的峰峰值是最大幅度和最小幅度之差。转换时间测量,如上升时间和下降时间,测量的是从脉冲幅度的90%到10%的转换时间。如果波形不是脉冲,则测量引擎就会发现这一点,因为波形的直方图具有多于或少于两个界定脉冲的峰值。在这种情况下,幅度测量就会恢复为峰峰值测量,并在参数读数下使用测量状态图标指示波形不是脉冲。kLLednc

在几乎所有情况下,使用测量参数进行的测量都比使用光标进行的测量准确得多。它们也是自动进行的,可以节省大量时间。kLLednc

测量统计

仪器测量为什么每次都会不同?测量统计可以回答这个问题。许多仪器都包括统计报告以及基本测量参数,如图6所示。kLLednc

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图6:测量统计会记录测量值在多次测量中如何变化,显示最后一个值、平均值、最小值、最大值、标准差和总个数。kLLednc

一些示波器包括所有实例测量。与时间相关的测量,如频率和宽度,会为被测波形的每个周期报告一个值。如果屏幕上有100个信号周期,则测量引擎会为每次采集添加100个测量值。与幅度相关的测量每次采集仅添加一个值。可以在多次采集中采集大量测量值。测量统计提供了非常有用的数据视图。波形显示下方的表格(以蓝色框展开)列出了采集中最后测量的值、所有采集值的平均值、集合的最小值和最大值、集合的标准差以及所有测量的总个数。它还包括状态指标以及所有测量值的直方图图标。kLLednc

幅度测量报告了统计中包含11,873个值。平均值为237.5457mV。平均值报告的分辨率比最后一个值高,因为平均值是求平均的结果。正如在波形中所看到的那样,对平均过程进行平均可以提高测量的垂直分辨率,如果对多次测量进行平均,也会发生同样的事情,因此平均值中的数字更重要。kLLednc

最大的值为241.5mV,就会取它为最大值报告,最小值则为234.8mV。这些值有助于检测采集期间所发生的瞬态事件。其他工具可以绘制测量值与时间的关系图,从而查看瞬态事件何时发生并将它们与可能的来源及时匹配。kLLednc

标准差描述了测量值关于平均值的分布,在本例中为826µV。平均值和标准差有助于理解测量值的分布,就像直方图图标一样。可以扩展直方图图标,查看完整大小的直方图,以便使用其自己的直方图测量值进行更详细的分析。所有这些测量工具都有助于了解特定测量的动态。对测量分布的了解使我们能建立信号的测试极限。kLLednc

总结

这些工具和技术有助于提高仪器的测量精度和可靠性。其他技巧可以从制造商的网络研讨会和应用笔记中收集。我们对仪器了解得越多,所获得的测量结果也就越准确可靠。kLLednc

Arthur Pini是一位技术支持专家和电气工程师,在电子测试和测量领域拥有超过50年的经验。kLLednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:How to make better measurements with your oscilloscope or digitizer,由Franklin Zhao编译。)kLLednc

本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里kLLednc

责编:Franklin
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Arthur Pini
Arthur Pini是一名技术支持专家和电气工程师,在电子测试和测量行业拥有超过50年的经验。 Arthur Pini为领先制造商的示波器、实时频谱分析仪、频率合成器、数字转换器和任意波形发生器提供支持。
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