本文導(dǎo)讀

帶寬夠高，采樣夠快，但測(cè)出來(lái)的值準(zhǔn)不準(zhǔn)？?jī)H有高分辨率還不夠，頻率一變、偏置一加、噪聲一大，精度往往隨之劣化。本文結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從ADC架構(gòu)、寬頻精度、偏置穩(wěn)定性、噪聲抗擾角度，看ZUS5000系列示波器如何讓“測(cè)得準(zhǔn)”真正落地。

ADC位數(shù)：精準(zhǔn)測(cè)量的起點(diǎn)

示波器的信號(hào)采集鏈路如圖1所示：探頭輸入→衰減放大→ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)處理→屏幕顯示。ADC是鏈路中影響采集質(zhì)量的核心器件。

圖1 示波器信號(hào)采集原理

ADC的采樣位數(shù)直接影響波形還原能力。8位ADC量化等級(jí)為256級(jí)，波形放大后階梯狀失真明顯；12位ADC量化等級(jí)達(dá)到4096級(jí)，是8位的16倍，放大后波形依然平滑，細(xì)節(jié)清晰可辨。ZUS5000系列示波器基于12位ADC架構(gòu)設(shè)計(jì)，從采集源頭保障測(cè)量精度。

圖2 不同ADC位數(shù)采集波形對(duì)比

示波器精度怎么樣才是好

10Hz~100kHz全頻段，精度一致

國(guó)標(biāo)校準(zhǔn)要求示波器在1kHz方波下達(dá)到標(biāo)稱(chēng)精度，滿足即視為達(dá)標(biāo)。但實(shí)際被測(cè)信號(hào)的頻率是多變的，如果僅在1kHz下精度達(dá)標(biāo)，而在其他頻率下明顯下降，測(cè)量結(jié)果的可信度就要大打折扣。

ZUS5000系列示波器通過(guò)改進(jìn)模擬前端電路結(jié)構(gòu)，將高精度測(cè)量的有效頻率范圍從傳統(tǒng)的低頻段擴(kuò)展至100kHz，實(shí)現(xiàn)10Hz到100kHz寬頻范圍內(nèi)精度的優(yōu)異一致性。通過(guò)以下不同頻點(diǎn)的實(shí)測(cè)波形圖可以觀察到具體的測(cè)試效果：

圖3 1kHz方波實(shí)測(cè)

圖4 10Hz方波實(shí)測(cè)

圖5 10kHz方波實(shí)測(cè)

圖6 30kHz方波實(shí)測(cè)

圖7 50kHz方波實(shí)測(cè)

圖8 100kHz方波實(shí)測(cè)

匯總數(shù)據(jù)如表1所示，各頻點(diǎn)之間的測(cè)量偏差很小，精度一致性良好?？词静ㄆ骶?，不能只看一個(gè)頻點(diǎn)，要看一個(gè)頻段。表1 測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差

直流偏置下的精度穩(wěn)定性

高位數(shù)ADC為測(cè)量精度提供基礎(chǔ)保障，但ADC本身并非完全線性的器件。當(dāng)被測(cè)信號(hào)疊加不同的直流偏置時(shí)，ADC的非線性特性可能導(dǎo)致幅度測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。這也是工程師在實(shí)際使用中經(jīng)常遇到的問(wèn)題：同一信號(hào)在不同直流偏置條件下，測(cè)量值出現(xiàn)明顯差異。

ZUS5000系列示波器針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)專(zhuān)利校正算法對(duì)ADC非線性進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，不同直流偏置條件下，幅度測(cè)量結(jié)果保持良好一致性。

圖9不同直流偏置條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

噪聲環(huán)境下的測(cè)量可靠性

在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、電源紋波、電磁干擾等因素都會(huì)給信號(hào)帶來(lái)不同程度的噪聲疊加。如果測(cè)量算法抗噪能力不足，幅度等參數(shù)的準(zhǔn)確性也會(huì)直接受到影響。

ZUS5000系列示波器對(duì)幅度測(cè)量算法進(jìn)行深度優(yōu)化，已取得抗噪測(cè)量發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。實(shí)測(cè)對(duì)比：無(wú)噪聲環(huán)境下測(cè)量值為500.25mV，高噪聲環(huán)境下測(cè)量值為499.5mV，偏差僅0.15%。

圖10 無(wú)噪聲實(shí)測(cè)500.25mV

圖11 高噪聲實(shí)測(cè)499.5mV

結(jié) 語(yǔ)

12位ADC奠定分辨率基礎(chǔ)，寬頻精度設(shè)計(jì)覆蓋10Hz~100kHz，專(zhuān)利算法應(yīng)對(duì)偏置漂移和噪聲干擾：ZUS5000系列示波器從硬件到算法，讓測(cè)量結(jié)果經(jīng)得起驗(yàn)證。