示波器垂直量測(cè)量偏差問題
客戶在使用示波器測(cè)量高頻信號(hào)、強(qiáng)電壓、微小信號(hào)或者電源紋波、噪聲等的幅值/峰值等垂直量時(shí)，測(cè)量值出現(xiàn)偏差，垂直量測(cè)量值偏小或偏大等，導(dǎo)致用戶對(duì)示波器測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生質(zhì)疑。
圖1示波器測(cè)量疑問
示波器垂直量測(cè)量出現(xiàn)偏差的原因歸結(jié)為以下四點(diǎn)：
① 低頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)與否；
② 示波器的底噪干擾對(duì)測(cè)量的影響；
③ 示波器的幅頻特性曲線差異；
④ 示波器的垂直分辨率對(duì)測(cè)量的影響。
顯示分析：
1、由于人眼的視覺余輝效應(yīng)以及LCD刷新率（約每秒50幀）的限制，波形幀是先疊加后顯示；
2、如上圖示例，示波器進(jìn)行了n次采樣，以觸發(fā)位置為基準(zhǔn)對(duì)齊，將n幀波形數(shù)據(jù)疊加在一起，再送顯示；
3、最終我們看到的就是“波形疊加顯示”那樣的效果。
當(dāng)然示波器測(cè)量精度不一定比得上高精度的萬用表，所以若要在示波器垂直量測(cè)量中測(cè)出比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要掌握正確的操作技巧。
1、低頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)與否
低頻補(bǔ)償（LFC）需要使用kHz范圍內(nèi)的方波（通常為1KHz 或10KHz）來調(diào)整X10檔探頭的頻率響應(yīng)。在進(jìn)行低頻補(bǔ)償時(shí)，使用探頭連接kHz方波信號(hào)，若出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)那闆r，可以用低頻調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)探頭的低頻補(bǔ)償電容至方波平頂即可。
圖2波形補(bǔ)償情況
為何一定要進(jìn)行低頻補(bǔ)償？
如下圖3所示為探頭與示波器輸入端相連時(shí)的內(nèi)部電路圖，R1是一個(gè)9MΩ的串行電阻，與示波器輸入端1MΩ輸入電阻組成10:1的衰減器，可有效減少輸入電容，有利于高頻信號(hào)的測(cè)量。
使用X10檔探頭測(cè)量信號(hào)時(shí)，隨著信號(hào)頻率的增加，容性負(fù)載的影響就越明顯，此時(shí)探頭主體中探針、電纜存在寄生電容（Cp、Cc）會(huì)造成探頭與示波器的阻抗不匹配（R1xC1≠R2x（C2+Cc）），從而影響信號(hào)測(cè)量。
由于寄生電容的不一致性，所以需要將C1做成可調(diào)電容，用來補(bǔ)償寄生電容的影響，使得R1xC1=R2x（C2+Cc），從而使探頭與示波器得以匹配。由于R1、R2的阻值比較大，所以R1、C1、R2、C2形成的極點(diǎn)頻率比較低，所以該電容又稱為低頻補(bǔ)償電容。
圖3 探頭補(bǔ)償電路
低頻補(bǔ)償對(duì)信號(hào)垂直量測(cè)量的影響：
以測(cè)量正弦波的峰峰值為例，在欠補(bǔ)償?shù)那闆r下，波形的垂直量將會(huì)偏小，過補(bǔ)償?shù)那闆r下，垂直量將會(huì)偏大，如下圖4所示。
圖4不同補(bǔ)償下波形幅值的變化
2、示波器的底噪的干擾對(duì)測(cè)量的影響
底噪：
通常是指示波器的“基線本底噪聲”，在示波器的模擬前端和數(shù)字轉(zhuǎn)換過程造成的垂直噪聲。底噪的大小用信噪比來表示，該值越大，代表該信號(hào)的噪聲干擾越小，即測(cè)量儀器的底噪越小。
底噪對(duì)垂直量測(cè)量的影響：
底噪在示波器屏幕上表現(xiàn)出來就是當(dāng)示波器置于最靈敏的垂直檔位時(shí)產(chǎn)生的噪聲波形。當(dāng)然，示波器的底噪與儀器使用的器件、硬件設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等各方面都有關(guān)系，所以不同公司或不同型號(hào)的示波器底噪不同，如圖5所示。
圖5 不同公司的示波器底噪不同
⑴ 當(dāng)示波器的底噪較大時(shí)，將會(huì)掩蓋住小信號(hào)，影響微小信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度，導(dǎo)致測(cè)量垂直量不準(zhǔn)確；
⑵ 當(dāng)示波器的底噪較低，則信號(hào)的測(cè)量就會(huì)比較準(zhǔn)確；
如下圖6所示的例子，給兩不同公司的示波器輸入一個(gè)峰峰值為4mV的正弦信號(hào)，并分別測(cè)量其峰峰值從而了解底噪對(duì)測(cè)量的影響。
圖6 不同公司的示波器峰峰值測(cè)量對(duì)比
若測(cè)量中想減小底噪干擾對(duì)測(cè)量的影響，可以使用以下方法：
（1）示波器的捕獲模式使用“平均”捕獲，平均捕獲可以將多次觸發(fā)的周期信號(hào)進(jìn)行平均顯示，使信號(hào)在某個(gè)值附近微小浮動(dòng)，更接近真實(shí)值，以減少噪聲的影響。
（2）示波器可使用“數(shù)字濾波”的方式在低通濾波（高通濾波）下將大于截止頻率（小于截止頻率）噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
3、示波器的幅頻特性曲線
帶寬：指示波器模擬前端的模擬帶寬。它的大小直接決定了示波器可測(cè)量的信號(hào)頻段范圍。
具體的說示波器帶寬：指示波器測(cè)得正弦波的幅度不低于真實(shí)正弦波信號(hào)-3dB幅度（即真實(shí)信號(hào)幅度的70.7%）時(shí)的最高頻率，也稱-3dB截止頻率點(diǎn)。隨著信號(hào)頻率的增加，示波器對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確顯示能力都將會(huì)下降，如圖7所示為理想的幅頻特性曲線。
示波器的幅頻特性曲線：指的是示波器信號(hào)的幅值隨信號(hào)頻率的增加而變化的曲線。
圖7理想幅頻特性曲線
從上圖7可知，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率等于示波器的帶寬（fBW）時(shí)，幅值測(cè)量結(jié)果誤差大約為30%。信號(hào)頻率小于f0的幅值基本無衰減，在f0~fBW 之間信號(hào)開始慢慢衰減，大于fBW 信號(hào)衰減越來越嚴(yán)重，所以若想使信號(hào)幅值衰減小，則被測(cè)信號(hào)的頻率應(yīng)小于帶寬的值很多。
圖8所示為理想的幅頻特性曲線，但是實(shí)際上的示波器的幅頻特性曲線的形狀不可能是理想的。不同型號(hào)的示波器幅頻特性可能不一樣，但都會(huì)盡量趨近于理想曲線的形狀。
圖8 實(shí)際的幅頻特性曲線
圖8為非理想幅頻特性曲線示意圖，不同的示波器不同的幅頻特性曲線它們的平坦度是有差異的，但是帶內(nèi)衰減都在-3dB以內(nèi)，均符合標(biāo)準(zhǔn)。因此不同示波器在同一個(gè)頻率點(diǎn)的信號(hào)其幅值衰減可能不同，這就導(dǎo)致了不同示波器在幅值測(cè)量上有偏差的原因。
4、示波器的垂直分辨率對(duì)測(cè)量的影響
一般數(shù)字示波器采用的都是8位ADC，對(duì)任何一個(gè)波形值都是用256個(gè)0和1來重組。假設(shè)示波器垂直方向滿量程為8格，對(duì)應(yīng)量化級(jí)數(shù)256。在垂直檔位為500mV/div的情況下，垂直精度為（500mV*8）/256=15.625 mV。測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，在垂直檔位為50mV/div的情況下，即（50mV*8）/256=1.5625 mV，垂直精度就達(dá)到了1.5625 mV。
圖 9測(cè)量精度
在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)量波形的幅值不一樣，故垂直檔位設(shè)置也會(huì)不一樣，但是為了盡量使測(cè)量準(zhǔn)確，可進(jìn)行以下操作：
使測(cè)試信號(hào)幅值盡量占到屏幕6div左右。例如一個(gè)峰峰值為7Vpp的正弦波，垂直檔位應(yīng)設(shè)為1V/div，而不是2V/div或5V/div。實(shí)際上，這涉及到一個(gè)電壓分辨率的問題， ZDS4054 plus示波器ADC的量化分辨率25LSB/div。例如在1V/div電壓下，電壓分辨率為40mv，而當(dāng)10V/div時(shí)，電壓分辨率為400mv?？芍?V/div下，測(cè)量值有更高的分辨率，測(cè)量值更準(zhǔn)確。
總結(jié)
綜上所示，示波器能夠觀測(cè)波形變化整體趨勢(shì)，核心在于高帶寬、高采樣率、高刷新率，傾向于高速信號(hào)測(cè)量。若想進(jìn)行低速信號(hào)高精度垂直量測(cè)量建議使用高精度的萬用表和功率分析儀。
