Погрешность измерения — это расхождение между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Чем больше погрешность измерения, тем ниже достоверность результата измерения. В этой статье мы рассмотрим, как возникают погрешности из-за неправильных настроек осциллографа, их типичные проявления и способы уменьшения погрешностей измерения с помощью правильной настройки осциллографа.

Погрешность измерения осциллографа

Ошибки измерений осциллографа могут быть вызваны такими факторами, как ограничения аппаратного обеспечения, неправильные настройки, помехи окружающей среды и человеческий фактор. Ниже приведены причины ошибок осциллографа и их типичные проявления:

Систематический анализ источников и проявлений погрешностей измерений позволяет оптимизировать протоколы измерений для повышения точности измерений.

Оптимизация основных настроек осциллографа

Вертикальная система (напряжение):

Выберите подходящий диапазон: амплитуда сигнала должна занимать от 60% до 80% экрана (чтобы избежать ошибок квантования от слишком малых сигналов или обрезания от слишком больших сигналов).

Отключите ?Ограничение полосы пропускания? (если это не требуется для подавления высокочастотных помех).

Горизонтальная система (временная основа):

Настройка временной основы должна отображать от 1 до 2 полных циклов сигнала (например, используйте 500 нс/дел для сигнала 1 МГц).

Включите ?Режим высокого разрешения? (уменьшает помехи за счет полосы пропускания).

Настройки триггера:

Выбор режима триггера:

Триггер по фронту: подходит для периодических сигналов (например, прямоугольных волн, синусоидальных волн).

Триггер по ширине импульса: фиксирует аномальные импульсы.

Регулировка уровня триггера: устанавливает уровень триггера на 50 % от амплитуды сигнала (предотвращает ложные срабатывания).

Эксплуатационный случай: величина фонового шума при различных коэффициентах затухания

На рисунке 1 показан канал 1 осциллографа без подключенного пробника, с коэффициентом ослабления, установленным на 1X, и плавающим заземлением. При вертикальном диапазоне, установленном на 1,00 мВ/дел, измеренный фоновый шум составляет 0,72 мВ Vpp.

На рисунке 2 показан канал 1 осциллографа без подключенного пробника, с коэффициентом ослабления, установленным на 1000X, и без подаваемого сигнала. При вертикальном диапазоне, установленном на 1,00 В/дел, измеренный базовый шум составляет 800 мВ Vpp.

Этот усиленный базовый шум является результатом эффекта суперпозиции шума аттенюатора: базовый шум осциллографа в основном происходит от аттенюатора и предусилителя. При коэффициенте ослабления 1000:1 сигнал значительно ослабляется. Осциллограф компенсирует это, усиливая сигнал для восстановления его амплитуды. Этот процесс синхронно усиливает собственный шум аттенюатора. В идентичных условиях выбор разных коэффициентов ослабления пробника приведет к значительным колебаниям шума базовой линии. Этот шум базовой линии влияет на результаты измерений системы, представляя собой неизбежную погрешность измерений, вносимую установкой.

Как эти знания помогают нам в измерениях? Предположим, у меня есть пробник с коэффициентами ослабления 100:1 и 1000:1. Если диапазон уровня сигнала неизвестен, для первоначального измерения следует отдать предпочтение более высокому коэффициенту ослабления (1000:1). Если результаты показывают, что сигнал находится в диапазоне 100:1, переключитесь на настройку 100:1, чтобы минимизировать фоновый шум и повысить точность измерений.

Вывод: в пределах диапазона измерения выбор меньшего коэффициента затухания также снизит фоновый шум, что в определенной степени уменьшит погрешности измерения.

Пример работы: уровень фонового шума на разных дистанциях

На рисунке 3 показан канал 1 осциллографа без подключенного пробника, с коэффициентом ослабления, установленным на 1X, и в плавающем состоянии. При вертикальном диапазоне, установленном на 1 В/дел, измеренный фоновый шум составляет 800 мВ Vpp.

На рисунке 4 показан канал 1 осциллографа без подключенного пробника, с коэффициентом ослабления, установленным на 1000X, и вертикальным диапазоном, установленным на 10,0 кВ/дел. Измеренный фоновый шум составляет 400 В Vpp. Основной причиной таких результатов является ограничение вертикального разрешения: вертикальное разрешение осциллографа определяется разрядностью АЦП (например, 8 бит, 12 бит). Если диапазон слишком велик, динамический диапазон сигнала занимает меньше уровней квантования АЦП, что приводит к потере деталей амплитуды.

Как показано на рисунке 4: 8-разрядный АЦП делит диапазон на 256 уровней. Одно деление соответствует 10 кВ, а общий диапазон составляет 100 кВ. Каждый уровень соответствует 100 кВ/256≈390 В, практически 400 В. При фоновом шуме 800 мВ в диапазоне 1000X, занимающем один уровень, результаты измерения могут отображать Vmax как 0 В или 400 В; аналогично, Vmin может отображаться как 0 В или -400 В из-за шума и ограничений разрешения.

Из-за ограничений разрешения больший вертикальный диапазон заставляет АЦП измерять и интерпретировать более высокие напряжения, что напрямую влияет на точность измерений.

Вывод: Разрешение АЦП (аналого-цифрового преобразователя) осциллографа ограничено. Использование высокого диапазона для измерения слабых сигналов приводит к погрешности квантования, что влечет за собой неточность измерений амплитуды.

Резюме

Неправильный выбор коэффициента ослабления или неправильный выбор вертикального диапазона могут привести к ошибкам квантования, что приведет к повышенным ошибкам измерения. Правильные настройки осциллографа могут минимизировать ошибки измерения.