示波器实验误差分析

在昨日的博文中，针对使用数字示波器DS6104测量交流信号的幅值和相位进行了详细的实验分析[1]。对于使用示波器进行测量时，常常会遇到一个问题：当示波器的时基不所测得的幅值和相位结果会出现误差。那么这种误差究竟是源自理论分析的误差，还是由于示波器本身在同步、AD位数精度、数据处理窗口等方面引起的呢？

为了解答这个问题，我们可以通过计算机仿真实验来验证。在仿真过程中，我们可以根据DS6104示波器的参数，对采集到的数据进行假设。例如，设定数据点个数与时基对应，从而确定数据采样的点数。我们也会考虑信号的频率和相位，以及数据的中心对应时间t=0时刻，即信号触发同步的时间点位于示波器的中心。

接下来，我们将通过Python语句生成特定时基（如ts=0.5ms）下的数据波形。利用先前博文中的计算方法，我们可以求出信号的有效值和相位。测量结果为：E值接近于理论值0.707，而相位差非常微小，接近于0。

在示波器中，数据采集的位数为8位。为了更全面地了解采集数据的位数对测量的影响，我们将对采集数据的位数从1到16进行仿真实验。我们将观察不同采样位数下对应的采集波形，以及时基从30us到5000us变化时，采集200个实验点的情况。

实验结果表明，取消量化过程后，所得到的测量误差（幅值、相位）与量化位数为8时的情况非常接近。当比较博文中所提到的时基测量结果时，我们发现，在ts小于0.002s的范围内，仿真结果与实际测量误差相近。但当ts大于0.002s后，误差呈现了规律的锯齿波形状，这一现象目前尚无法解释。

为了进一步评估时基对参数计算误差的影响，我们尝试对数据增加三角窗和Hanning窗进行加权处理。使用这些窗口处理后，我们发现三角窗对相位影响较大。猜测这可能与信号的量化误差有关。当我们去除8bit量化后，使用三角窗加权数据所得到的复制误差和相位有了新的变化。

我们还对Hanning窗进行加权计算的信号幅值误差和相位进行了分析。通过对比三角窗、Hanning窗以及Hamming窗对幅度误差的影响，我们发现去除量化误差后，三种加窗方法对应的幅值误差曲线与时基ts之间的关系变得有规律，不再呈现随机状态。

通过这一系列实验和分析，我们认识到在实际工程实践中，除了理论分析外，还需要考虑到实际测量过程中可能出现的其他异常情况。特别是对于ts大于0.002s之后出现的情况，可能确实与示波器本身的采集原理有关。这也进一步证实了在实际测量中综合考虑各种因素的重要性。

[1] 参考博文：使用数字示波器DS6104测量交流信号的幅值和相位