4．示波器的直流電壓測量精度

直流電壓測量是日常測試中最常用的測量，用慣了示波器的人經常會用示波器直接測量直流電壓，示波器也確實有直流電壓測量的功能，但是這個測量精度能到多少呢？

目前，大部分人使用的都是數字示波器，數字示波器內部通過ADC對輸入模擬信號進行采樣。為了保證示波器的高頻信號測量能力，示波器中通常使用Flash型ADC，這種ADC是把輸入電壓同時與多個比較器（8bit需要256個比較器）進行比較，再通過譯碼電路直接輸出結果。這種ADC的優點是速度比較快，但要想位數做高就需要更多高速、高分辨率的比較器（例如10bit就需要1024個），實現的成本、功耗代價都很大，因此目前市面上大部分數字示波器的ADC都是8bit比較器。

8bit的分辨率對于人眼觀察波形足夠了，但是對于精確測量來說可能不太夠，因為其理論上固有量化誤差就有滿量程的1/256，再加上增益誤差和偏置誤差等因素，實際示波器的直流測量精度通常在滿量程的2%左右。如果只是大概看一下信號電壓，這個精度沒有問題，但對于一些需要精確測量的場合可能就不夠了。因此，如果希望進行更精確的直流電壓測量，就需要其他測試儀器，這即是最常用的萬用表。

萬用表可以測電壓、電流、電阻等參數。在有些場合大家還能看到指針式的模擬萬用表，但模擬表測量的結果不確定性很大，例如讀數時眼睛偏左一點或偏右一點可能看到的指針的位置都不一樣，因此目前大家常用的都是數字萬用表。數字萬用表分為手持的和臺式的，手持的表通常有3位半（十進制）的分辨率，臺式表通常有5位半或者6位半（十進制）的分辨率。注意萬用表標的一般是十進制的位數，6位就代表百萬分之一的分辨率。圖4.12是HP/Agilent公司的經典的臺式萬用表34401A，廣泛應用于計量和精確測量的場合。

萬用表里的ADC通常是積分型ADC。以最簡單的雙斜積分ADC為例，其工作原理如圖4.13所示：被測電壓Vi在t1時間內對積分電路充電，再用已知的Vref電壓對積分電路放電，通過測量放電時間t2就可以推算出Vi的值。積分型ADC通過增加積分時間可以提高測量分辨率并減小噪聲、電源雜波等的影響，因此很多臺式萬用表都有20bit以上的分辨率。

圖4.12 34401A臺式萬用表

圖4.13 積分型ADC的工作原理

那么，萬用表的直流測量精度到底能做到多少呢？還是以6位半的34401A為例，其電壓測量精度可以小于50ppm（ppm:10-6）。不過這還不是最高的，8位半的萬用表3458A的精度和穩定性更好，通常用于計量領域做精確的電壓比對。

因此，直流電壓精確測量的正確工具是萬用表，萬用表的精度遠優于示波器，例如在計量示波器的直流精度時就會用萬用表的測量結果做基準。雖然示波器的價格比萬用表高很多，但測量直流電壓并不是其強項，示波器的強項還是在于信號波形的測量上。示波器可以看到信號電壓的變化情況，這點是萬用表無法匹敵的，而高頻信號的參數測量則更是示波器可以大顯身手的領域。