最大限度地提高示波器测量精度

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提高示波器的精度并不难,但需要注重细节。本文探讨多种改善示波器测量的方法。

采用栅格显示维持动态范围不变

示波器(4通道)的一种常见用法是牺牲示波器四分之一的动态范围,衰减各信号的摆幅以使这几个信号可以同时显示在一个共用屏幕上(如图1所示)。

图1:衰减几路信号的摆幅以显示在一个共用屏幕上,就意味着牺牲了动态范围。

一般来说,数字示波器都被设计成将其模数转换器(ADC)的完整范围映射到全屏或几乎全屏的显示器栅格上。如果衰减来自每个通道的信号以使之显示在全屏的四分之一栅格区(两格)内,就等于牺牲了两个数字位的动态范围。另外,为了将信号迹线显示在特定的两格内,还必须增加偏置量。偏置误差又为读数增加了另外一个误差源。

为解决上述问题,应该使用多栅(分区)显示器,并将每个通道信号显示在独立栅格中。这样,既无需对信号进行衰减,也无需电压偏置,即可以全动态范围显示多个通道信号(如图2所示)。图中,一个正交显示器显示具有全动态范围的四个多栅格区域。

与图1中每个图形的迹线进行比较,会注意到图2中每个信号都具有更低的噪声。利用更大的垂直刻度读数采集信号来衰减输入信号,可以减少信号的垂直位移,但不会减少示波器通道中的内部噪声。

图2:一个四栅(分区)显示器(每个通道对应一个分区显示器)显示四路信号的全动态范围波形。

这种方法会造成较低的信噪比,可以查看通道1上的信号叠加比较而得知(如图3所示)。

图3:将利用50mV/div(绿色迹线)采集的信号与利用200mV/div(黄色迹线)采集的信号叠加在一起。发现黄色迹线更宽、轮廓不分明,且更嘈杂。

将以200mV/div精度采集的信号衰减四倍后,以50MV/div显示时,就会呈现出更大的噪声和更低的分辨率。而未衰减的正弦波迹线(绿色)上的扰动较小,原因是动态范围得到了改善。

显示不仅表现出这种幅度分辨率损失,还会影响其他测量。峰峰值测量对噪声非常敏感。注意,衰减信号的峰峰值读数读取的噪声电平更高,比用50mV/div采集的结果要高44mV。不过,其均方根水平非常接近,这是因为均方根过程对信号进行了整合,从而降低了测量的噪声水平。

被衰减信号的噪声大还会影响其频率测量。注意,若用标准测量偏差来表示,被衰减信号的测量不确定性要高两倍。

这就是说,不要为了用单栅显示器而衰减信号——而应采用多栅显示器,显示各路全动态范围的信号。

精确的标读数

示波器通常提供三种测量工具:屏幕格线、光标和测量参数。光标是可以在显示波形上移动的标记,可以及时记录光标的位置以及与光标相交处的波形幅度。光标测量精度的高低,取决于能否将光标精确放置在所期望的波形点位上。

通过几个简单的技巧可以提高放置光标的精确性。首先,在放置光标时停止信号采集。每次采集的波形都不同,波形保持稳定时,放置光标会容易很多。其次,也是更重要的,对一路/或多路迹线进行放大。在放大区域中的光标跟踪,或更大的显示区域将使精准放置光标变得更加容易(如图4所示)。

图4:放大迹线中的光标跟踪。使用放大迹线显示波形的扩展视图,以便更准确地放置光标。

放大视图中的扩展显示不仅可以更容易地查看波形细节,而且当光标进入放大区域时,光标移动的变化率也会降低。较慢的变化率可以实现放置光标时的良好控制。

在上面的示例中,光标需被置于正弦波的零交叉处。显示两个放大视图,每个视图显示一个交叉点。手动移动光标并监测通道注释框中的光标幅度,当光标幅度读数为0V时,即可落定光标。

请注意,利用测量参数P1测得的正弦波平均周期为99.9999ns,而用光标测得的值DX=100.04ns。测量参数具有更高的分辨率,因为它确定周期时用的是双插值操作。通常,测量参数提供的测量结果最准确。然而,光标提供了一个更方便的测量工具,毕竟并非每次测量都有一个测量参数。

选择性参数测量

图5显示了一个波形,在没有任何帮助的情况下,很难制定其标准测量参数。该波形是I2C串行接口的门控时钟波形。图中的两个波形完全相同,而频率参数将用来测量不同测量配置时的时钟频率。

参数P1测量上方迹线的频率。观测了162个周期,测得的频率分布在68.518kHz到100.298kHz之间。这并不奇怪,因为波形的时序并不统一。P1的读数是波形中最后一个采集周期的频率,显示频率为73.281kHz。查看M2波形(绿色迹线)中的最后一个周期,可以看到它比其他大多数周期都长,这说明其频率也较低。

图5:采用测量门选择性地测量门控时钟频率。

参数设置中有几种技术可用于解决这种问题。第一个是门控,顾名思义,它仅允许在用户定位的门之间进行测量。有些示波器使用测量光标来选通参数测量。本例采用的Teledyne LeCroy示波器则采用了一组单独的门标记,在下方(黄色)迹线上显示为虚线。门被设置在第一个时钟附近,并测量八个完整周期的频率。在这种情况下,频率参数的读数范围为99.914至100.109kHz。测量门成功地将测量范围限制在时钟范围内,并忽略了间隙。门控使测量参数更加灵活。

第二个测量工具为接受准则。该工具允许参数测量所有值,但仅显示用户输入范围内的值,如图6所示:

图6:使用参数接受准则仅展示99到101kHz之间的频率值。

在参数P2中,接受准则被设置为仅显示在99到101kHz之间的频率。在该范围内的测量次数仅为144次,而显示了所有测量值的P1中列出的次数为162次。频率参数从第一个上升沿开始测量,因此测量的时钟波形中有18个间隙,等于总测量值与接受值之间的差值。

跟踪是一个数学函数,某些示波器中具有该功能,该功能可绘制参数值与时间的关系图。在本例中,该功能是很有用的,可以查看波形中哪些结果与不同波形事件相关。图7显示了对频率参数的跟踪。

图7:基于所测频率参数的跟踪(F2)和直方图(F1)函数示例。

迹线F2(红色)为频率参数跟踪结果。其垂直标度以赫兹为单位,它描绘出频率单位与时间的关系。该迹线与I2C时钟源波形在时间上同步。所示的脉冲波形最大值为100.3kHz,基值为68.52kHz。对应于源波形的开始和结束,每次跟踪结束的基值都会稍大一些,但最大值是一致的。跟踪可以显示出频率变化发生的位置。请注意,相对于70kHz及以下部分,100kHz段更宽,说明100kHz组中有更多的时钟脉冲。

迹线F1是频率参数图形化表示的直方图,显示在测量数据值的小范围内相对于数据值绘制的出现次数。它是对测量值发生概率的估计。直方图中使用的数据值可以是采集的样本幅度、定时值或测量参数。上文提到的P1频率测量直方图在图7中显示为迹线F1(黄色)。

直方图位于底部。水平轴为测量值,本例中为频率。纵轴是在较小区间(bin)内的测量值数量。Bin的大小用户可选择。在本例中,水平轴被分为1000个bin。因此,对于大约100kHz的范围,bin的大小约为100Hz。直方图显示出两个明显的峰值和两个小很多的峰值。最大峰值在100kHz处,代表时钟在100kHz bin中的峰值计数为34,其相邻bin中的计数较小,总计数为144。最左边的一个位于68.6kHz处,这是包含间隙的时钟频率。两个较小的峰值也是间隙频率,频率值约为72-73kHz,与时钟信号任一端的参数测量相关。

直方图和跟踪结果(大部分读数约为100kHz)提供了在参数测量中选择和设置接受限值所需的信息。低于100kHz的值与时钟突发中的间隙相关,应从时钟频率的测量中剔除。

跟踪和直方图功能为示波器测量提供了更深刻的洞察力,显示出测量值的原始位置以及这些值如何分布。

结论

本文讨论了几种改善示波器测量的技术,包括最大化显示分辨率、光标放置和测量参数。文中采用的示波器为Teledyne LeCroy Lab Master,其他示波器也可能有类似的功能。跟踪和直方图常与抖动测量工具相关。

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