示波器測(cè)量時(shí)不符合的測(cè)量范圍造成失準(zhǔn)的因素有哪些？

在英語(yǔ)中，我們經(jīng)常使用“comparing apples to apples”來(lái)表示我們?cè)陬愃剖挛镏g進(jìn)行公平比較。另一方面，如果用“comparing apples to oranges”，那么我們的意思相反。

有時(shí)，盡管我們盡了最大的努力，但我們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生“apples to bruised apples”的影響。在本月的帖子中，我將在“TheCase of the Discrepant Scope Measurements”中提供一個(gè)相對(duì)常見的例子。

最初的案例

幾年前，我正在支持振蕩器客戶，我們遇到了相關(guān)問(wèn)題，即他的測(cè)量與我的相比。與規(guī)格和部件的典型性能相比，他的周期抖動(dòng)測(cè)量值沒(méi)有任何意義。

我知道我們要用類似的板，電纜，終端，測(cè)試設(shè)備，并至少嘗試相同的測(cè)量。我們甚至有非常相似的示波器。當(dāng)我讓他向我發(fā)送波形圖時(shí)，我開始懷疑他的設(shè)備是否有些不對(duì)勁。答對(duì)了！他的波形是我的波形的一小部分，我知道這很可能是差異的根源。

示例實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我采用了標(biāo)準(zhǔn)的2.5V LVDS100 MHz輸出時(shí)鐘，并使用高質(zhì)量的1 GHz DSO或數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行測(cè)量，該示波器支持測(cè)量統(tǒng)計(jì)（更高帶寬的示波器1GHz就足夠了。）我將每次測(cè)量約10K次，僅改變垂直刻度，并將下面的關(guān)鍵結(jié)果制成表格。請(qǐng)注意，我以降低的垂直刻度記錄下面的測(cè)量值。垂直刻度越小，顯示的波形越大。

最值得注意的觀察是所有測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差隨垂直標(biāo)度而降低。垂直刻度越小，顯示的波形越大，測(cè)量越準(zhǔn)確。

彼之噪音，我之信號(hào)

我對(duì)周期抖動(dòng)特別感興趣，周期抖動(dòng)是周期測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差。如果我們從表格值繪制周期抖動(dòng)與垂直標(biāo)度，我們得到以下線性圖。

測(cè)量的周期抖動(dòng)與采樣的比例似乎是線性的。此外，在較小的值處沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，這表明我們沒(méi)有接近測(cè)量“floor”。

在討論測(cè)量結(jié)果的原因之前，讓我們簡(jiǎn)要回顧每個(gè)比例選擇的屏幕上限以及我們?yōu)槭裁匆褂盟鼈儭?/p>

250mV/div選項(xiàng)

這是三個(gè)實(shí)例中最小的顯示波形選項(xiàng)。在嘗試同時(shí)測(cè)量多個(gè)波形時(shí)，例如在比較相對(duì)時(shí)鐘偏差時(shí)，您會(huì)遇到這種類型的縮放。周期測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，即周期抖動(dòng)，為7.5ps。

100mV/div選項(xiàng)

這是最常見的選擇，因?yàn)樗菧y(cè)量單個(gè)波形時(shí)特定示波器的默認(rèn)或自動(dòng)比例選擇。周期抖動(dòng)下降了一半以上至3.2ps。非常適合瀏覽，但事實(shí)證明，仍然不是最佳選擇。

55mV/div選項(xiàng)

最終選擇最大化了示波器上顯示的波形，而沒(méi)有削波。周期抖動(dòng)降至約2 ps。

關(guān)于不同范圍測(cè)量的解釋

我故意不在這些測(cè)量中進(jìn)行任何采樣或時(shí)間尺度變化，以便將該方面作為變量消除。唯一的變化是垂直縮放會(huì)影響電壓噪聲。電壓噪聲通過(guò)轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換為定時(shí)噪聲，即增量電壓與增量時(shí)間之比，如下面的圖所示。藍(lán)色高斯曲線旨在表示關(guān)于決策閾值的正常噪聲分布。

DSO是一個(gè)數(shù)字示波器，在信號(hào)鏈的前端有一個(gè)采樣ADC。因此，電壓噪聲將歸因于DUT和DSO的ADC量化噪聲。該特定示波器的ADC標(biāo)稱值為8位。（實(shí)際的ENOB或有效位數(shù)可能較低，但原理相同。）

8位ADC具有256個(gè)唯一代碼或量化級(jí)別。因此，我們可以如下比較標(biāo)稱量化級(jí)別。隨著我們減少垂直縮放，量化噪聲顯著減少。

ADC的8位用于示波器的整個(gè)垂直顯示，因此任何更少的位都會(huì)使用更少的位并導(dǎo)致更多的量化噪聲。這反過(guò)來(lái)產(chǎn)生更多的時(shí)間不確定性。正是出于這個(gè)原因，示波器制造商經(jīng)常建議用戶最大化屏幕上的波形，以進(jìn)行最準(zhǔn)確的測(cè)量。這樣做是最保守的方法。