您的 RMS 讀值可信嗎？深入解析示波器上的三種 RMS 量測方法
- Sonya Chan
- 10月5日
- 讀畢需時 4 分鐘
均方根值（RMS）是測試與量測領域中最常見的參數之一，在數學上，它是連續變化值（波形）的二次平均數（Quadratic Mean），特別是在量化功率時，RMS 簡化了計算，因為電壓的極性與電流的方向可以被忽略。
測試任務
在評估電流或電壓訊號的品質時，一些量，例如峰值與頻率，可以直接從訊號中確定，而其他量，如峰值功率（Crest Power），則必須經過計算，通常，使用均方根值（RMS）是表達計算的最佳方式，透過電壓錶或電流錶，可以使用類比電路來應用平方律轉換函數與時間平均，以確定 RMS 值，然而，這樣的電路通常頻寬有限，不適合射頻（RF）相關的工作。
測試解決方案
配備高速類比數位轉換器（ADC）的示波器克服了這一限制，數位化的取樣點成為 RMS 計算的基礎，並通常作為示波器上的一項自動量測功能，由於實作方式的差異，結果可能會有所不同，因此，了解這些方法與其假設，對於選擇最合適的途徑並獲得既準確又精密的結果至關重要，R&S®RTM2000 提供了三種各具特定優勢的自動化方法：
標準 RMS 量測
R&S®RTM-K32 選項，提供用於高頻寬 RMS 量測的數位 RMS 轉換功能
R&S®RT-Zxx 主動式探棒，配備用於高精密度量測的 R&S®ProbeMeter 功能
量測應用
數位示波器 RMS 量測
示波器的工作原理是透過 ADC 轉換器對類比訊號進行取樣，然後將數位化的值儲存在緩衝記憶體中，當波形滿足觸發條件時，緩衝區中的取樣點會被傳遞至擷取記憶體，以便在觸發點周圍進行重建與顯示，示波器重複此過程，每當有新的一組值滿足觸發條件時，螢幕上的波形就會刷新，對於 RMS 量測，示波器使用擷取記憶體中的波形取樣點進行計算，這是幾乎所有數位示波器都具備的標準量測功能，由於資料來自擷取記憶體，其量測速率可以與波形的擷取速率一樣快。
示波器取樣對 RMS 量測的影響
由於量測是在擷取記憶體上完成的，因此取樣方法的改變（例如因不同的取樣精簡（Decimation）模式）以及擷取記憶體中整體的波形形狀，都會對結果產生重大影響，最好是使用重複性的波形與足夠的取樣點，取樣精簡模式會有選擇性地將 ADC 取樣點儲存至擷取記憶體，這可能會限制計算，導致量測準確度與頻寬可能降低，在某些示波器架構中，量測是在顯示取樣點（經過像素化（Pixelization）處理後）上進行的，這會進一步降低 RMS 量測的準確度。
R&S®RTM-K32 DVM 選項
與以擷取記憶體取樣點為基礎的自動量測不同，R&S®RTM-K32 直接從 ADC 取樣點計算 RMS 值，不受波形擷取的影響，其結果不依賴於擷取記憶體中的波形形狀或取樣方法。
R&S®RTM2000 的 ADC 以 5 Gsample/s 的速率運作，因此數位電壓錶（DVM）可以量測高達 2.5 GHz（奈奎斯特頻率）的訊號，計算是在每一個 ADC 取樣點上完成的，所以即使沒有完成一次完整的擷取，也能進行量測。
此實作方式的另一個關鍵優勢是，R&S®RTM2000 的每個通道都配備了一個獨立的 ADC，R&S®RTM-K32 DVM 可為每個通道啟用多達四個平行量測，除了 RMS 量測，它還可以依據 ADC 取樣點，直接量測直流（DC）、峰值、波峰因數（Crest）與頻率。
R&S®RTM-K32 DVM 精密度
電壓錶的關鍵參數之一是其精密度，通常精密度以量測結果的位數來指定，R&S®RTM-K32 直接使用 ADC 取樣點，為幅度讀值提供高達三位數的精密度，為頻率計數器提供七位數的精密度，此精密度足以滿足大多數應用，而擁有多個通道與同步參數測量的靈活性則更為重要。
R&S®ProbeMeter
如果對精密度有更高的要求，使用者可以轉向 R&S®ProbeMeter 以獲得更佳的準確度，它配備了一個 24-bit ADC，可提供 0.1 % 的直流量測準確度，如下圖所示，R&S®ProbeMeter 可以繞過示波器的前端 ADC，使其獨立於儀器的通道設定，並始終提供全動態範圍的讀值。
總結
R&S®RTM2000 為 RMS 量測提供了多種選項，內建的自動量測功能易於開啟，但受到波形重複性、取樣率與取樣精簡效應的限制，R&S®RTM-K32 DVM 選項提供了另一種選擇，直接使用 ADC 取樣資料以獲得更好的 RMS 量測，具備高達 5 Gsample/s 的取樣率，並能同時執行四個電壓加上兩個計數器的量測，如果需要最高的精密度，使用者可以考慮採用配備 R&S®ProbeMeter 的 Rohde & Schwarz 主動式探棒，以在探棒的全動態範圍內獲得前所未有的 0.1 % 準確度。
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R&S®RTM3000 示波器為獲得精準的 RMS 量測提供了卓越的平台，其核心搭載的 10-bit 類比數位轉換器（ADC），與傳統 8-bit 示波器相比，能提供 4 倍的垂直解析度，從根本上提升了取樣點的準確性，進而優化所有 RMS 計算的結果，RTM3000 支援 R&S®RTM-K32 DVM 選項，可繞過擷取記憶體，直接從 ADC 進行高頻寬 RMS 量測，避免因取樣精簡造成的誤差，對於需要極致直流準確度的應用，更可搭配 R&S 主動式探棒的 ProbeMeter 功能，是兼具靈活性與精密度的理想選擇。
