示波器，不止“看得清”，更要“测得准”

 

 

本文导读

带宽够高，采样够快，但测出来的值准不准？仅有高分辨率还不够，频率一变、偏置一加、噪声一大，精度往往随之劣化。本文结合实测数据，从ADC架构、宽频精度、偏置稳定性、噪声抗扰角度，看ZUS5000系列示波器如何让“测得准”真正落地。
 

ADC位数：精准测量的起点

示波器的信号采集链路如图1所示：探头输入→衰减放大→ADC模数转换→数据处理→屏幕显示。ADC是链路中影响采集质量的核心器件。

图1  示波器信号采集原理

 

ADC的采样位数直接影响波形还原能力。8位ADC量化等级为256级，波形放大后阶梯状失真明显；12位ADC量化等级达到4096级，是8位的16倍，放大后波形依然平滑，细节清晰可辨。ZUS5000系列示波器基于12位ADC架构设计，从采集源头保障测量精度。

图2  不同ADC位数采集波形对比

示波器精度怎么样才是好

10Hz~100kHz全频段，精度一致

国标校准要求示波器在1kHz方波下达到标称精度，满足即视为达标。但实际被测信号的频率是多变的，如果仅在1kHz下精度达标，而在其他频率下明显下降，测量结果的可信度就要大打折扣。

 

 

ZUS5000系列示波器通过改进模拟前端电路结构，将高精度测量的有效频率范围从传统的低频段扩展至100kHz，实现10Hz到100kHz宽频范围内精度的优异一致性。通过以下不同频点的实测波形图可以观察到具体的测试效果：

图3  1kHz方波实测

  图4  10Hz方波实测

图5  10kHz方波实测

图6  30kHz方波实测

图7  50kHz方波实测

图8  100kHz方波实测

汇总数据如表1所示，各频点之间的测量偏差很小，精度一致性良好。看示波器精度，不能只看一个频点，要看一个频段。表1  测试数据与误差

直流偏置下的精度稳定性

高位数ADC为测量精度提供基础保障，但ADC本身并非完全线性的器件。当被测信号叠加不同的直流偏置时，ADC的非线性特性可能导致幅度测量结果产生偏差。这也是工程师在实际使用中经常遇到的问题：同一信号在不同直流偏置条件下，测量值出现明显差异。

ZUS5000系列示波器针对这一问题，通过专利校正算法对ADC非线性进行补偿，实测数据显示，不同直流偏置条件下，幅度测量结果保持良好一致性。

图9 不同直流偏置条件下的测量数据对比
 

噪声环境下的测量可靠性

在实际测试场景中，工业现场、电源纹波、电磁干扰等因素都会给信号带来不同程度的噪声叠加。如果测量算法抗噪能力不足，幅度等参数的准确性也会直接受到影响。

 

ZUS5000系列示波器对幅度测量算法进行深度优化，已取得抗噪测量发明专利授权。实测对比：无噪声环境下测量值为500.25mV，高噪声环境下测量值为499.5mV，偏差仅0.15%。

图10  无噪声实测500.25mV

图11  高噪声实测499.5mV

 

结 语

12位ADC奠定分辨率基础，宽频精度设计覆盖10Hz~100kHz，专利算法应对偏置漂移和噪声干扰：ZUS5000系列示波器从硬件到算法，让测量结果经得起验证。