示波器参数测量究竟是如何保证精度的?

王淳 发表于 2018-09-17 09:44:22 收藏 已收藏
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示波器参数测量究竟是如何保证精度的?

王淳 发表于 2018-09-17 09:44:22

本文导读

“参数测量”是示波器分析波形的一大利器,工程师不用开启光标就可以轻松得到各项参数。但也有工程师会有点不放心:示波器如何保证测量精度呢?本文就带你步步深入,了解示波器参数测量背后的算法。

ZDS系列示波器提供了非常丰富的测量功能,测量项目最多可达51种。工程师在使用时遇到的问题多是因为对细节及原理了解不够,下面就这些内容,带你一步一步深入挖掘,解开你的疑惑。

一、参数测量的使用方法

打开测量比较简单,记住两个要点:

1、我要测量哪个通道?

2、我要测什么?

图1 打开测量

小结:测量项目有51项之多,支持24项测量项目同屏幕显示。

二、参数测量算法分析

示波器中测量的项目大体上可分为两大类,一类与电压相关,如最大值、最小值、顶部值、底部值等。另一类与时间相关,如频率、周期、上升时间、下降时间、占空比等。顶部值、底部值是非常重要的两个测量项,是时间测量的基础。

与电压相关的测量,相对比较简单,最大值(Vmax)与最小值(Vmin)可通过遍历所有样本点求出。顶部值(Vtop)和底部值(Vbase)的求解,需要先对所有样本点进行直方图映射,然后求出现概率最大的电压值。

  • 顶部值(Vtop):相对于波形上部的最大概率的电压,并且概率达到样本点总数的5%以上。

  • 底部值(Vbase):相对于波形下部的最大概率的电压,并且概率达到样本点总数的5%以上。

图2 电压相关项的测量

与时间相关的测量项,需要使用顶部值(Vtop)和底部值(Vbase),然后再通过Vtop与Vbase计算出高中低三根阈值线的位置,最后求阈值线与波形的交点,可得到时间相关的测量结果,如图3所示。高中低三根阈值线的位置可调节,默认值为90%、50%、10%。

图3 时间相关项的测量

小结:有一些特殊的波形(如正弦波)会出现Vtop和Vbase求解失败(概率少于5%),此时会使用Vmax与Vmin作为新的顶部值与底部值,并且会在Vtop和Vbase的值后面,追加?号显示来表示异常,如图4所示。

图4 顶部值、底部值与最大值,最小值相同

三、测量与统计算法分析

测量与统计的原理很简单。先要理解一个概念,同一个测量项在同一次测量中可能会遇到多次,如周期,一段波形可能有N个周期。这样就出现了新的问题,周期的测量结果对应波形的哪个周期?为了解决这种不对应的问题,并让测量结果更具有意义,我们采用了统计学中的6种值来描述测量结果,分别如下:

  • 当前值(Current):表示第一个测量值,对应图5中①的位置。

  • 最大值(Max):表示所有测量值中的最大值,对应图5中②的位置。

  • 最小值(Min):表示所有测量值中的最小值,对应图5中③的位置。

  • 平均值(Avg):表示所有测量值的累加平均值,对应图5中的三个位置的累加平均值。

  • 标准差(Stdev):表示所有测量值的标准差,对应图5中的三个位置的标准差。

  • 次数(Count):表示测量值的个数,对应图5中的三个位置。

图5 测量统计功能周期

小结:测量统计功能默认是关闭,可在菜单中打开。统计关闭时,仅显示当前值(Current),统计打开时,显示6种统计结果。图6中使用了正脉宽统计功能,可求得最大的脉宽为3.0028us,脉冲个数为42个。

图6 统计功能可手动打开或关闭

四、自定义测量范围

使用测量时,经常会遇到的一个问题是,捕获下来的波形比较多,但是我只想测量分析波形中的一部分。在ZDS3000/4000系列示波器中,我们通过硬件加速,提供了一种自定义测量范围的方法,只需要简单的两个步骤即可完成。

第一步:设置测量范围为光标区域;

第二步:调整光标位置,指定测量的范围。

图7 自定义测量区域

总结:

测量功能很强大,但也很复杂,实际应用时如果对结果不够确定,可以先排查测量结果是电压类型还是时间类型,电压类型则重点检查输入通道设置是否正确,如探头比;时间类型则重点检查高中低三阈值、顶部值、底部值是否正确。

ZDS示波器的测量功能,使用了全硬件加速处理,能对全屏幕的所有原始(不抽样)样本点进行分析,同时执行51项参数测量,处理速度非常快,是全球唯一一款具备51种“真正意义”参数测量、统计功能的示波器。


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