如何使用示波器或数字化仪进行更好的测量

现代示波器和数字化仪变得越来越好。更高的带宽、更好的垂直分辨率和更长的采集存储器。更不用说更多用于特定应用测量的固件工具了。借助所有这些高级分析功能，有时很难记住一些非常古老且简单的规则，这些规则可以提高测量的准确性和精度。以下是一些可以提供帮助的好主意。

使用仪器前端的完整动态范围

数字仪器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。该仪器使用衰减器或放大器将输入信号与 ADC 输入电压范围相匹配。如果 ADC 的输入小于其输入范围，则会降低 ADC 的总动态范围。当用户在屏幕上设置多个轨迹时，可能会发生这种情况。

一些示波器和数字化仪显示软件仅提供单个显示网格。如果您尝试在全动态范围内显示多个信号迹线，信号会重叠，从而难以查看它们。大多数面临这个问题的人都会减少每个通道的垂直缩放。如果您有四条迹线，只需将每格伏特设置增加四倍即可。现在，每条迹线仅占据屏幕的四分之一，并且所有四个迹线都适合屏幕，没有重叠。问题解决了吗?并不真地。您只需将动态范围减少两位，就可以将八位示波器变成六位示波器。您衰减了信号，但仪器的内部噪声是相同的，信噪比现在差了两位。

底部网格显示以 50mV/格采集的原始信号。顶部迹线显示在四分之一全屏或 200mV/格处采集的迹线。如果您垂直扩展衰减迹线并以原始 50mV/格显示它，则垂直噪声会显着增加，您可以从显示的迹线变粗看出。由于信噪比较差，对衰减迹线进行的测量会增加不确定性。对于具有多个网格显示的示波器或数字化仪来说，这不是问题，每个网格都以全动态范围显示信号，并且可以比较多个信号，每个信号都在自己的网格中。如果您无法使用多网格示波器，请确保对全幅度信号进行任何测量，保留衰减信号仅用于视觉比较。

通过消除噪声提高动态范围和测量精度

使用平均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(其中每次采集的第n 个样本在多次采集中一起平均)可减少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提取出低电平信号，以实现更好的测量。它确实需要多次收购。

对于单次采集，您可以通过限制信号带宽来降低噪声。动态范围的改善与带宽减少的平方根成正比。将带宽减少四倍，以实现动态范围二比一的改进。这假设信号具有低带宽并且不受带宽减少的影响。通过消除噪声来提高采集的动态范围。

获取的信号是指数衰减的正弦波。顶部轨迹显示原始采集。请注意，信号在屏幕上大约四分之三处消失在噪声中。中心轨迹显示多次采集的平均值。在底部轨迹中，高斯低通滤波器已应用于采集的信号。平均和滤波都可以降低噪声并提高测量的动态范围。经过任一类型的信号处理后，信号都可以清晰辨别。

提高光标测量的准确性

光标是垂直和/或水平线，可以在示波器或数字化仪显示屏上移动以标记波形上的重要点。光标读数显示光标位置处波形的时间或幅度。波形是键控射频载波，水平相对光标用于测量射频突发的宽度。这是仪器的自动测量参数无法进行的测量。光标水平读数出现在时基注释框下方的右下角，读数为 8.06275 µs。

这真的是爆发的持续时间吗?答案是否定的。该波形采集了 200 万个样本。水平屏幕分辨率为1920像素。因此，很明显，并非所有样本都显示在屏幕上。仪器制造商应用压缩算法来减少显示点的数量。它们设法显示峰值等重要点，但除非扩大显示，否则仍有很多内容您看不到。

进行此测量的更准确方法是使用缩放迹线在 RF 突发开始和结束处水平扩展波形。

缩放轨迹 Z1 和 Z2 水平扩展突发的开始和结束。缩放轨迹中的样本计数小于屏幕分辨率，因此不使用压缩算法。光标跟踪采集的信号和缩放轨迹。缩放迹线 Z1(黄色迹线)上的光标标记从过零开始的 RF 突发的开始。缩放轨迹 Z2(红色轨迹)上的光标标记突发的结束。光标水平读数显示突发长度为 8.33295 ms，这是一个更准确的结果。

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测量参数，例如幅度、频率、上升时间和下降时间等等。特定于应用程序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 标准 181，该标准采用统计技术对脉冲波形进行测量。

脉冲顶部和底部的幅度值是通过形成所采集的波形样本的直方图来确定的，这显示为屏幕右侧的插图。方波或脉冲波形的直方图有两个不同的峰值。直方图上部峰值的平均值称为“顶部”。较低值峰值的平均值称为波形的“基值”。使用许多脉冲测量的统计平均值可以抑制噪声、过冲和振铃等波形畸变的影响。脉冲幅度是顶部和底部之间的差值。波形的最大值减去顶部就是正过冲。同样，波形最小值与基值之间的差值就是负过冲。脉冲宽度是前沿和后沿穿过顶部和底部之间的中间幅度或中值的时间差。波形的峰峰值是最大和最小幅度之间的差。过渡时间测量(如上升时间和下降时间)测量脉冲幅度从 90% 过渡到 10% 的时间。如果波形不是脉冲，测量引擎会看到这一点，因为波形直方图的数量多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量将恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下方的测量状态图标指示波形不是脉冲。波形的峰峰值是最大和最小幅度之间的差。过渡时间测量(如上升时间和下降时间)测量脉冲幅度从 90% 过渡到 10% 的时间。如果波形不是脉冲，测量引擎会看到这一点，因为波形直方图的数量多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量将恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下方的测量状态图标指示波形不是脉冲。波形的峰峰值是最大和最小幅度之间的差。过渡时间测量(如上升时间和下降时间)测量脉冲幅度从 90% 过渡到 10% 的时间。如果波形不是脉冲，测量引擎会看到这一点，因为波形直方图的数量多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量将恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下方的测量状态图标指示波形不是脉冲。测量引擎会看到这一点，因为波形直方图多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量将恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下方的测量状态图标指示波形不是脉冲。测量引擎会看到这一点，因为波形直方图多于或少于定义脉冲的两个峰值。在这种情况下，幅度测量将恢复为峰峰值测量，并使用参数读数下方的测量状态图标指示波形不是脉冲。

几乎在所有情况下，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。它们也是自动生成的，节省了大量时间。

测量统计

仪器测量值在不同测量值之间有何不同?测量统计数据回答了这个问题。许多仪器都包含统计报告以及基本测量参数。

某些示波器包括所有实例测量。与时间相关的测量(例如频率和宽度)会为所测量波形的每个周期报告一个值。如果屏幕上有 100 个信号周期，测量引擎会为每次采集添加 100 个测量值。与幅度相关的测量仅在每次采集时添加一个值。您可以通过多次采集获得大量测量值。测量统计数据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)列出了采集中测量的最后一个值、所有采集值的平均值、集合的最小值和最大值、集合的标准偏差以及所有测量的总人口。它还包括状态指示器和所有测量值的标志性直方图。

幅度测量报告统计数据中包含 11,873 个值。均值或平均值为 237.5457 mV。平均值以比上一个值更高的分辨率报告，因为平均值是平均值。正如我们在波形中看到的，平均过程提高了测量的垂直分辨率，如果对多个测量进行平均，也会发生同样的情况，因此平均值中的数字更有效。

最大值为 241.5 mV，报告为最大值，最小值为 234.8 mV。这些值可以帮助检测采集期间发生的瞬态事件。其他工具可以绘制测量值与时间的关系图，以查看瞬态事件何时发生，并及时将其与可能的来源进行匹配。

标准差描述了测量值关于平均值的分布，在本例中为 826 µV。平均值和标准差对于理解测量值的分布非常有用，就像图标直方图一样。可以扩展标志性直方图以查看全尺寸直方图，以便使用其自己的一组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。了解测量分布使您能够建立信号的测试限值。

结论

这些工具和技术可以帮助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说明中收集。您对仪器了解得越多，您的测量结果就越准确和可靠。