4．示波器的直流电压测量精度

直流电压测量是日常测试中最常用的测量，用惯了示波器的人经常会用示波器直接测量直流电压，示波器也确实有直流电压测量的功能，但是这个测量精度能到多少呢？

目前，大部分人使用的都是数字示波器，数字示波器内部通过ADC对输入模拟信号进行采样。为了保证示波器的高频信号测量能力，示波器中通常使用Flash型ADC，这种ADC是把输入电压同时与多个比较器（8bit需要256个比较器）进行比较，再通过译码电路直接输出结果。这种ADC的优点是速度比较快，但要想位数做高就需要更多高速、高分辨率的比较器（例如10bit就需要1024个），实现的成本、功耗代价都很大，因此目前市面上大部分数字示波器的ADC都是8bit比较器。

8bit的分辨率对于人眼观察波形足够了，但是对于精确测量来说可能不太够，因为其理论上固有量化误差就有满量程的1/256，再加上增益误差和偏置误差等因素，实际示波器的直流测量精度通常在满量程的2%左右。如果只是大概看一下信号电压，这个精度没有问题，但对于一些需要精确测量的场合可能就不够了。因此，如果希望进行更精确的直流电压测量，就需要其他测试仪器，这即是最常用的万用表。

万用表可以测电压、电流、电阻等参数。在有些场合大家还能看到指针式的模拟万用表，但模拟表测量的结果不确定性很大，例如读数时眼睛偏左一点或偏右一点可能看到的指针的位置都不一样，因此目前大家常用的都是数字万用表。数字万用表分为手持的和台式的，手持的表通常有3位半（十进制）的分辨率，台式表通常有5位半或者6位半（十进制）的分辨率。注意万用表标的一般是十进制的位数，6位就代表百万分之一的分辨率。图4.12是HP/Agilent公司的经典的台式万用表34401A，广泛应用于计量和精确测量的场合。

万用表里的ADC通常是积分型ADC。以最简单的双斜积分ADC为例，其工作原理如图4.13所示：被测电压Vi在t1时间内对积分电路充电，再用已知的Vref电压对积分电路放电，通过测量放电时间t2就可以推算出Vi的值。积分型ADC通过增加积分时间可以提高测量分辨率并减小噪声、电源杂波等的影响，因此很多台式万用表都有20bit以上的分辨率。

图4.12 34401A台式万用表

图4.13 积分型ADC的工作原理

那么，万用表的直流测量精度到底能做到多少呢？还是以6位半的34401A为例，其电压测量精度可以小于50ppm（ppm:10-6）。不过这还不是最高的，8位半的万用表3458A的精度和稳定性更好，通常用于计量领域做精确的电压比对。

因此，直流电压精确测量的正确工具是万用表，万用表的精度远优于示波器，例如在计量示波器的直流精度时就会用万用表的测量结果做基准。虽然示波器的价格比万用表高很多，但测量直流电压并不是其强项，示波器的强项还是在于信号波形的测量上。示波器可以看到信号电压的变化情况，这点是万用表无法匹敌的，而高频信号的参数测量则更是示波器可以大显身手的领域。