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用高分辨率示波器测量微小信号

导读: 实时示波器由于采样率高,ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。

  谈及分辨率,人们最容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标,一般用水平和垂直方向的像素点个数或者DPI(每英寸点数)来表示。显然,高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器,工程师极少谈及它的分辨率,谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率,更准确地说是垂直分辨率,也就是模数转换器(ADC)的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8位,故而极少提及垂直分辨率。

  实时示波器由于采样率高,ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求,美国力科公司研发了新型的实时示波器WaveRunner HRO 6Zi,简称HRO(高分辨率示波器)。其ADC位数达12位,同时具备较高的采样率-2GS/s。存储深度(记录长度)可以达到每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然,它也具备示波器所擅长的测量、分析和调试功能,其易用性更好。

  ADC位数对垂直分辨率有多大影响?我们来看图1,这是用8位示波器和12位示波器分别对同一个信号采集后,对其中部分波形放大显示的结果。

 

图1:8位示波器和12位示波器捕获波形对比

  从图中可以看出8位示波器采集的波形出现台阶状现象,这是因为信号的微小变化和ADC的量化误差相当,信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师在使用示波器时并没有注意到这个现象。这好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机,站在5米外观看可能看不出差别,靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节,也就有类似的效果。

  垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方,一台高分辨率的电视机,如果它内部电路的噪声很大,导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理,示波器ADC能够分辨的最小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢?有的示波器厂家喜欢采用基底噪声:示波器不输入信号,测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号,示波器内部电路的工作状态可能差别很大。图2是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图,并分别对时域波形做FFT,观察频域。在没有信号输入时,频域噪底比较平坦;而输入正弦波后,除了信号基频和谐波分量以外,出现了不少杂散,而且噪底的形状也不再平坦。因此,基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。

 

图2:示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图

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