示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

SiliconLabs 发表于 2018-07-16 11:32:38 收藏 已收藏
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示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

SiliconLabs 发表于 2018-07-16 11:32:38

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

在英语中,我们经常使用“comparing apples to apples”来表示我们在类似事物之间进行公平比较。另一方面,如果用“comparing apples to oranges”,那么我们的意思相反。

有时,尽管我们尽了最大的努力,但我们的实验室测量结果可能会产生“apples to bruised apples”的影响。在本月的帖子中,我将在“TheCase of the Discrepant Scope Measurements”中提供一个相对常见的例子。

最初的案例

几年前,我正在支持振荡器客户,我们遇到了相关问题,即他的测量与我的相比。与规格和部件的典型性能相比,他的周期抖动测量值没有任何意义。

我知道我们要用类似的板,电缆,终端,测试设备,并至少尝试相同的测量。我们甚至有非常相似的示波器。当我让他向我发送波形图时,我开始怀疑他的设备是否有些不对劲。答对了!他的波形是我的波形的一小部分,我知道这很可能是差异的根源。

示例实验室测量

为了说明这个问题,我采用了标准的2.5V LVDS100 MHz输出时钟,并使用高质量的1 GHz DSO或数字存储示波器进行测量,该示波器支持测量统计(更高带宽的示波器1GHz就足够了。)我将每次测量约10K次,仅改变垂直刻度,并将下面的关键结果制成表格。请注意,我以降低的垂直刻度记录下面的测量值。垂直刻度越小,显示的波形越大。

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

最值得注意的观察是所有测量的标准差随垂直标度而降低。垂直刻度越小,显示的波形越大,测量越准确。

彼之噪音,我之信号

我对周期抖动特别感兴趣,周期抖动是周期测量的标准差。如果我们从表格值绘制周期抖动与垂直标度,我们得到以下线性图。

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

测量的周期抖动与采样的比例似乎是线性的。此外,在较小的值处没有偏转,这表明我们没有接近测量“floor”。

在讨论测量结果的原因之前,让我们简要回顾每个比例选择的屏幕上限以及我们为什么要使用它们。

250mV/div选项

这是三个实例中最小的显示波形选项。在尝试同时测量多个波形时,例如在比较相对时钟偏差时,您会遇到这种类型的缩放。周期测量的标准差,即周期抖动,为7.5ps。

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

100mV/div选项

这是最常见的选择,因为它是测量单个波形时特定示波器的默认或自动比例选择。周期抖动下降了一半以上至3.2ps。非常适合浏览,但事实证明,仍然不是最佳选择。

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

55mV/div选项

最终选择最大化了示波器上显示的波形,而没有削波。周期抖动降至约2 ps。

关于不同范围测量的解释

我故意不在这些测量中进行任何采样或时间尺度变化,以便将该方面作为变量消除。唯一的变化是垂直缩放会影响电压噪声。电压噪声通过转换速率转换为定时噪声,即增量电压与增量时间之比,如下面的图所示。蓝色高斯曲线旨在表示关于决策阈值的正常噪声分布。

示波器测量时不符合的测量范围造成失准的因素有哪些?

DSO是一个数字示波器,在信号链的前端有一个采样ADC。因此,电压噪声将归因于DUT和DSO的ADC量化噪声。该特定示波器的ADC标称值为8位。(实际的ENOB或有效位数可能较低,但原理相同。)

8位ADC具有256个唯一代码或量化级别。因此,我们可以如下比较标称量化级别。随着我们减少垂直缩放,量化噪声显着减少。

ADC的8位用于示波器的整个垂直显示,因此任何更少的位都会使用更少的位并导致更多的量化噪声。这反过来产生更多的时间不确定性。正是出于这个原因,示波器制造商经常建议用户最大化屏幕上的波形,以进行最准确的测量。这样做是最保守的方法。

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