示波器參數(shù)測(cè)量究竟是如何保證精度的？

本文導(dǎo)讀

“參數(shù)測(cè)量”是示波器分析波形的一大利器，工程師不用開(kāi)啟光標(biāo)就可以輕松得到各項(xiàng)參數(shù)。但也有工程師會(huì)有點(diǎn)不放心：示波器如何保證測(cè)量精度呢？本文就帶你步步深入，了解示波器參數(shù)測(cè)量背后的算法。

ZDS系列示波器提供了非常豐富的測(cè)量功能，測(cè)量項(xiàng)目最多可達(dá)51種。工程師在使用時(shí)遇到的問(wèn)題多是因?yàn)閷?duì)細(xì)節(jié)及原理了解不夠，下面就這些內(nèi)容，帶你一步一步深入挖掘，解開(kāi)你的疑惑。

一、參數(shù)測(cè)量的使用方法

打開(kāi)測(cè)量比較簡(jiǎn)單，記住兩個(gè)要點(diǎn)：

1、我要測(cè)量哪個(gè)通道？

2、我要測(cè)什么？

圖1 打開(kāi)測(cè)量

小結(jié)：測(cè)量項(xiàng)目有51項(xiàng)之多，支持24項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目同屏幕顯示。

二、參數(shù)測(cè)量算法分析

示波器中測(cè)量的項(xiàng)目大體上可分為兩大類，一類與電壓相關(guān)，如最大值、最小值、頂部值、底部值等。另一類與時(shí)間相關(guān)，如頻率、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間、占空比等。頂部值、底部值是非常重要的兩個(gè)測(cè)量項(xiàng)，是時(shí)間測(cè)量的基礎(chǔ)。

與電壓相關(guān)的測(cè)量，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，最大值(Vmax)與最小值(Vmin)可通過(guò)遍歷所有樣本點(diǎn)求出。頂部值(Vtop)和底部值(Vbase)的求解，需要先對(duì)所有樣本點(diǎn)進(jìn)行直方圖映射，然后求出現(xiàn)概率最大的電壓值。

• 頂部值(Vtop)：相對(duì)于波形上部的最大概率的電壓，并且概率達(dá)到樣本點(diǎn)總數(shù)的5%以上。

• 底部值(Vbase)：相對(duì)于波形下部的最大概率的電壓，并且概率達(dá)到樣本點(diǎn)總數(shù)的5%以上。

圖2 電壓相關(guān)項(xiàng)的測(cè)量

與時(shí)間相關(guān)的測(cè)量項(xiàng)，需要使用頂部值(Vtop)和底部值(Vbase)，然后再通過(guò)Vtop與Vbase計(jì)算出高中低三根閾值線的位置，最后求閾值線與波形的交點(diǎn)，可得到時(shí)間相關(guān)的測(cè)量結(jié)果，如圖3所示。高中低三根閾值線的位置可調(diào)節(jié)，默認(rèn)值為90%、50%、10%。

圖3 時(shí)間相關(guān)項(xiàng)的測(cè)量

小結(jié)：有一些特殊的波形（如正弦波）會(huì)出現(xiàn)Vtop和Vbase求解失?。ǜ怕噬儆?%），此時(shí)會(huì)使用Vmax與Vmin作為新的頂部值與底部值，并且會(huì)在Vtop和Vbase的值后面，追加?號(hào)顯示來(lái)表示異常，如圖4所示。

圖4 頂部值、底部值與最大值，最小值相同

三、測(cè)量與統(tǒng)計(jì)算法分析

測(cè)量與統(tǒng)計(jì)的原理很簡(jiǎn)單。先要理解一個(gè)概念，同一個(gè)測(cè)量項(xiàng)在同一次測(cè)量中可能會(huì)遇到多次，如周期，一段波形可能有N個(gè)周期。這樣就出現(xiàn)了新的問(wèn)題，周期的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)波形的哪個(gè)周期？為了解決這種不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，并讓測(cè)量結(jié)果更具有意義，我們采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)中的6種值來(lái)描述測(cè)量結(jié)果，分別如下：

• 當(dāng)前值(Current)：表示第一個(gè)測(cè)量值，對(duì)應(yīng)圖5中①的位置。

• 最大值(Max)：表示所有測(cè)量值中的最大值，對(duì)應(yīng)圖5中②的位置。

• 最小值(Min)：表示所有測(cè)量值中的最小值，對(duì)應(yīng)圖5中③的位置。

• 平均值(Avg)：表示所有測(cè)量值的累加平均值，對(duì)應(yīng)圖5中的三個(gè)位置的累加平均值。

• 標(biāo)準(zhǔn)差(Stdev)：表示所有測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)應(yīng)圖5中的三個(gè)位置的標(biāo)準(zhǔn)差。

• 次數(shù)(Count)：表示測(cè)量值的個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)圖5中的三個(gè)位置。

圖5 測(cè)量統(tǒng)計(jì)功能周期

小結(jié)：測(cè)量統(tǒng)計(jì)功能默認(rèn)是關(guān)閉，可在菜單中打開(kāi)。統(tǒng)計(jì)關(guān)閉時(shí)，僅顯示當(dāng)前值(Current)，統(tǒng)計(jì)打開(kāi)時(shí)，顯示6種統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖6中使用了正脈寬統(tǒng)計(jì)功能，可求得最大的脈寬為3.0028us，脈沖個(gè)數(shù)為42個(gè)。

圖6 統(tǒng)計(jì)功能可手動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉

四、自定義測(cè)量范圍

使用測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到的一個(gè)問(wèn)題是，捕獲下來(lái)的波形比較多，但是我只想測(cè)量分析波形中的一部分。在ZDS3000/4000系列示波器中，我們通過(guò)硬件加速，提供了一種自定義測(cè)量范圍的方法，只需要簡(jiǎn)單的兩個(gè)步驟即可完成。

第一步：設(shè)置測(cè)量范圍為光標(biāo)區(qū)域；

第二步：調(diào)整光標(biāo)位置，指定測(cè)量的范圍。

圖7 自定義測(cè)量區(qū)域

總結(jié)：

測(cè)量功能很強(qiáng)大，但也很復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用時(shí)如果對(duì)結(jié)果不夠確定，可以先排查測(cè)量結(jié)果是電壓類型還是時(shí)間類型，電壓類型則重點(diǎn)檢查輸入通道設(shè)置是否正確，如探頭比；時(shí)間類型則重點(diǎn)檢查高中低三閾值、頂部值、底部值是否正確。

ZDS示波器的測(cè)量功能，使用了全硬件加速處理，能對(duì)全屏幕的所有原始（不抽樣）樣本點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)執(zhí)行51項(xiàng)參數(shù)測(cè)量，處理速度非?？?，是全球唯一一款具備51種“真正意義”參數(shù)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)功能的示波器。