了解和应用示波器测量

数字示波器的一大优点是它们可以使用各种有用的测量参数来测量采集的波形。大多数当前的示波器包括大约二十五个标准测量参数以及应用程序特定选项中可用的附加参数。测量基于各种行业公认的标准，并产生非常准确的结果。了解基本测量技术将有助于示波器用户充分利用测量参数及其相关工具。本文将提供有关示波器测量的必要背景知识以及对常见应用的一些见解。

让我们从基本的时间相关测量开始——周期、频率、宽度和占空比。所有这些测量都与波形各段的持续时间有关，通常适用于周期性波形。图 1显示了时间相关测量参数的基本定义。

图 1时间参数基于波形超过预设阈值的点，在本例中为波形幅度的 50% 或零伏。资料·皮尼

波形的周期是基本的测量。它是图中参数P1所示的周期波形在单个周期上的持续时间。示波器通过测量具有相同斜率的波形段的固定阈值电压的波形交叉点之间的时间来测量周期。阈值通常为波形幅度的 50%，但可由用户调整。Period 是每个周期的时间。周期的倒数，或每单位时间的周期数，是波形的频率，如参数 P2 所示。 

波形的宽度是具有相反斜率的波形段跨越阈值之间的时间。如果宽度在正斜率和负斜率之间测量，则称为正宽度。在负斜率和正斜率之间测量的宽度称为负宽度。正宽度显示为参数 P3。

正宽度与周期的比率定义为占空比，通常预期为百分比，如参数 P4 中所示。显示了另外两个参数，循环数和边沿数，分别显示为参数 P5 和 P6。

在此示例中使用的示波器中，与时序相关的参数是“所有实例”测量值。这意味着为波形的每个周期生成一个周期值，并在多次采集中累积。这些测量值被存储并构成统计分析的基础，如图中的参数读数所示。参数统计的显示由测量设置中的“统计”复选框控制。参数统计包括六个读数字段。对于周期读数 P1，值字段显示累积的测量值。其下方是参数的均值或平均值与所进行的测量总数的比值。下一个读数是测量总数中遇到的值和值。下一行包含累积测量值的标准偏差。标准偏差是测量值关于平均值的散布的量度，标准偏差越低，值间隔得越近。一个读数行包含统计中包含的测量总数。

状态行表示参数计算的状态。绿色复选标记表示计算没有问题。

让我们考虑一个实际问题，因为这些参数基于阈值交叉，它们很容易因波形上的附加噪声而出错。噪声峰值会使阈值交叉看起来比预期来得早，而噪声谷会使阈值交叉更晚。这些测量值的极值在和字段中分别为 4.9815 ns 和 5.0154 ns，相差 33.9 ps。这是测量范围。超过 71,850 个周期的周期平均值在平均场中为 4.999993 ns。这是存在噪声时参数值的估计。

参数读数下方的绿色图表称为“直方图”，它们是给定参数测量值直方图的图标视图。它们显示记录的测量值的概率分布。受噪声影响的四个参数显示具有通常与噪声相关的钟形高斯或正态分布的直方图。示波器提供了有关所做的任何测量的大量信息。

常见的幅度相关参数如所示：

图 2与幅度相关的常见参数有峰峰值、幅度、rms、过冲 +、过冲 -、上升时间和下降时间。除峰峰值外的所有值的确定均基于波形样本值的直方图，如红色框中的插图所示。资料·皮尼

峰峰值幅度计算为和幅度样本值之间的差异。峰峰值对加性噪声高度敏感。对于类脉冲波形，波形样本的直方图将显示对应于脉冲顶部和底部的双峰，其中大多数样本的振幅所在。图中的插图显示了被测信号的直方图。直方图中两个峰值中每一个的质心对应于脉冲的顶部和底部振幅值。脉冲波形幅度是顶部和底部幅度之间的差异。基于顶部和底部直方图的平均值的振幅参数对噪声的敏感度要低得多。

过冲 + 计算为正峰值振幅与电平之间的差值。过冲——是基值和峰值振幅之间的差异。因为两个过冲参数值都取决于峰值样本幅度，所以它们也会受到加性噪声的影响。这种对噪声存在的敏感性可以通过在测量前使用平均或滤波降低噪声来化。

上升时间参数测量波形从信号幅度的 10% 水平跨越到 90% 水平之间的时间。下降时间测量波形从 90% 和 10% 振幅水平相交之间的时间。还提供具有 20% 至 80% 阈值水平和用户定义阈值的转换时间测量。

如果波形不是脉冲状会怎样？如果示波器测量算法未在波形样本的直方图中检测到两个不同的峰值，则默认使用峰峰值计算来测量幅度。在这种情况下，它会使用带有“x”的脉冲图标向操作员发出此状态的信号，表示“不是脉冲”。如果有任何其他原因无法进行测量，例如，波形上的周期测量少于一个完整周期，状态图标将变为黄色三角形，其中带有感叹号，表示测量错误情况。

这些示例中使用的示波器还具有多个基于存储的测量参数数据的数学函数。测量值可以显示在直方图中，显示测量的概率分布——这是分析噪声和抖动的一个非常有用的特性。

测量值可以按采集顺序绘制在称为趋势的图中。趋势图，每次测量包含一个点，显示测量值的变化。它们可以在 XY 显示中相互绘制以查看功能关系。

这些值也可以在称为轨迹的图中随时间绘制。该图与源波形时间同步，有助于定位异常测量的来源。为了保持时间同步，每个测量值可能有多个点。

很多时候，需要基于应用于采集参数的算术运算的二次测量。例如，波峰因数，即信号峰值幅度与其 RMS 幅度的比率，在 RF 和数据通信应用中很有用。参数数学允许用户测量信号的峰峰值振幅，将其除以二以获得峰值，然后将计算出的峰值与测得的 RMS 值之比得出如图 3 所示的波峰因数。

图 3波峰因数的计算方法是在参数 P3 中除以 2 重新调整峰峰值幅度，然后取峰均方根比，计算出的波峰因数在参数 P4 中。插图显示了可用的参数数学运算。资料·皮尼

插图显示了可对参数执行的十四种可用数学运算。甚至还有一个参数脚本操作，允许用户使用 Visual Basic 脚本对两个参数之间的操作进行编程。

参数测量可以限制在时间值之间的区域并使用门设置。一些示波器使用测量光标进行选通。此处使用的示波器具有独立的测量门控，可通过测量设置的门选项卡进行控制。图 4显示了涉及两组参数的门控测量示例，目的是测量发射的超声波脉冲和反射回波之间的时间差。

图 4设置了两组测量门，组在零和三个水平格之间，将 P1 和 P2 的读数限制为发射的超声波脉冲。第二组测量是在七格和十格之间的回波上进行的，用于测量 P3 和 P4。资料·皮尼

该示波器支持对每个参数进行独立选通。参数 P3 测量的是七个水平格和十个水平格之间的幅度。参数 P4 是测量同一门限内波形值（X@Max）的时间。选通设置显示在参数 P4 的选通选项卡上。参数 P1 测量发射脉冲的幅度，其测量门设置在零和三格之间。P2 返回相同门位置之间值的水平位置。P5 中的参数数学计算传输脉冲和回波之间的时间差。时间差为 3.197 毫秒。测量选通用于分离发射脉冲和回波的测量。

也可以通过设置参数的接受值来过滤测量。仅显示可接受范围内的参数值。当测量范围涵盖多个值且仅对特定值感兴趣时，验收标准非常有用。图 5中显示了一个示例，其中测量了小于标称值的任何脉冲宽度。

图 5使用验收测量小于标称脉冲宽度的脉冲宽度。资料·皮尼

参数P1测量波形中十个完整脉冲的脉宽，十个脉冲的平均值为914 ns。P2 使用接受标准仅显示宽度小于 900 ns 的脉冲，如设置的接受选项卡所示。P2 记录 139.839 ns 脉冲宽度。

验收标准还可以允许在选通波形处于特定状态时进行测量。因此，总线上的测量可以限制在启用特定芯片的时间。

示波器测量参数比使用游标进行的测量准确得多。通过累积多个测量值，可以对它们应用统计数据，从而提供对测量操作的深入了解。参数数学允许根据标准测量参数计算用户定义的测量值。选通和验收允许对波形进行选择性测量。