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示波器的ADC對(duì)垂直分辨率有何影響？

更新時(shí)間：2025-01-14      點(diǎn)擊次數(shù)：65

所謂的ADC，其全稱是Analog-to-Digital Converter 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的意思。通常來(lái)說(shuō)，自然界產(chǎn)生的信號(hào)，其實(shí)都是模擬信號(hào)，像我們說(shuō)話的聲音，我們看到的圖像，我們感受到的溫度等等。但是這些模擬信號(hào)在電子產(chǎn)品中最終都得以數(shù)字信號(hào)Q的方式進(jìn)行處理，存儲(chǔ)或者傳輸，那如何把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)呢？所以，我們就需要ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器了。

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的重要性

1965 年，戈登.摩爾(Gordon Moore) 預(yù)測(cè)，集成電路(IC) 中晶體管的密度將會(huì)每?jī)赡攴环?。該預(yù)測(cè)被稱為“摩爾定律"，至今仍然非常強(qiáng)大?，F(xiàn)如今，計(jì)算和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。例如我們已經(jīng)看到，由于 IC 密度的增加，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 和中央處理器(CPU) 的性能一直在呈指數(shù)增長(zhǎng)。

FPGA 和CPU 性能隨時(shí)間的變化

隨著摩爾定律影響著處理器的性能，IC 晶體管密度的增加也極大地提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能。如下圖所示，摩爾定律對(duì)這些設(shè)備的性能產(chǎn)生了指數(shù)效應(yīng)。

10 位ADC 性能（采樣率）隨時(shí)間的變化

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字電路工作速度的提高，以及對(duì)于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對(duì)于高速、高精度的ADC（Analog to Digital Converter）、DAC（Digital to Analog Converter）的指標(biāo)都提出了很高的要求。比如在雷達(dá)和衛(wèi)星通信中，所需要的信號(hào)帶寬已經(jīng)達(dá)到了 2 GHz 以上，而下一代的 5G 移動(dòng)通信技術(shù)在使用毫米波頻段時(shí)也可能會(huì)用到 2 GHz 以上的信號(hào)帶寬。雖然有些場(chǎng)合（比如線性調(diào)頻雷達(dá)）可能采用頻段拼接的方式去實(shí)現(xiàn)高的帶寬，但是畢竟拼接的方式比較復(fù)雜，而且對(duì)于通信或其它復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的傳輸也有很多限制。

根據(jù) Nyquist 采樣定律，采樣率至少要是信號(hào)帶寬的 2 倍以上。同時(shí)為了支持靈活的制式、相控陣或大規(guī)模 MIMO 的波束賦形，現(xiàn)代的收發(fā)機(jī)模塊越來(lái)越普遍采用數(shù)字中頻直接采樣，這其實(shí)進(jìn)一步提高了對(duì)于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。

了解寬帶信號(hào)采集的示波器和數(shù)字化儀之間的差異

下圖是一個(gè)典型的全數(shù)字雷達(dá)收發(fā)信機(jī)模塊的結(jié)構(gòu)。

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典型的全數(shù)字雷達(dá)收發(fā)信機(jī)模塊的結(jié)構(gòu)

高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的重要性

那么問(wèn)題來(lái)了：示波器的ADC對(duì)垂直分辨率有何影響？

- 如果信噪比（SNR）足夠高的話，ADC位數(shù)越多即表示可以看到的信號(hào)細(xì)節(jié)越小。

我們知道，所有制造商均指ding了其示波器的ADC位數(shù)，分辨率是由示波器中的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器所確定的最小量化水平。

上圖所示的是 8 位分辨率示波器與 12 位分辨率示波器的采集結(jié)果對(duì)比。兩臺(tái)示波器均與相同的低噪聲 10 MHz 參考時(shí)鐘信號(hào)相連。放大函數(shù)用于對(duì)每個(gè)捕獲波形的頂部進(jìn)行放大。

唯yi的數(shù)字編碼或量級(jí)（Q 級(jí)）的位數(shù)是 2n，其中 n 是指 ADC 位數(shù)。8 位 ADC 具有256 Q 級(jí)，而 12 位 ADC 具有 4096 Q 級(jí)。每個(gè)示波器 ADC 在示波器的全量程垂直值內(nèi)工作，因此，Q 電平步進(jìn)與全標(biāo)度垂直示波器設(shè)置有關(guān)。

如果用戶將垂直設(shè)置調(diào)整為 100 mV/ 格，例如全屏等于 800 mV（8 格 x 100 mV/ 格），Q 電平分辨率等于 3.125mV/ 電平（800 mV / 256 電平）。

如果測(cè)量電流，對(duì)于 10 mA/ 格的垂直設(shè)置，Q 電平分辨率設(shè)置為 312.5 μA/ 電平（80 mA / 256 電平）。

如果信噪比（SNR）足夠高的話，ADC位數(shù)越多即表示可以看到的信號(hào)細(xì)節(jié)越小。

對(duì)于下圖中所示的增加的分辨率位數(shù)的有效性，噪聲通常具有更重要的影響。在這個(gè)示例中，無(wú)論是擁有 12 位 ADC 的 LeCroy HRO66Zi，還是擁有 12 位垂直分辨率的 KeysightDSO9054H，均充分利用了 10 位的分辨率。分辨率的較低兩位被整個(gè)垂直設(shè)置量程的前端噪聲所消耗。

示波器全標(biāo)度垂直讀數(shù)

量程設(shè)置對(duì)示波器分辨率的影響

量程設(shè)置對(duì)示波器的分辨率利用程度影響很大。

啟用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 首先需要設(shè)置垂直刻度并盡可能全屏顯示波形。舉個(gè)例子，假如被測(cè)信號(hào)波形占據(jù)示波器屏幕的?，那么 8 位ADC 實(shí)際被使用的位數(shù)就降到了7 位。又假設(shè)波形只占屏幕的?，那么ADC 實(shí)際被使用的位數(shù)就從 8 位降至 6 位。如果將波形放大到占據(jù)整個(gè)屏幕，示波器ADC 的 8 位分辨率就可以得到最充分利用。要獲得最佳分辨率，就必須使用垂直刻度設(shè)置， 在顯示屏上盡可能接近滿屏顯示波形。

ADC、示波器前端架構(gòu)及使用的探頭決定了示波器硬件能夠支持將垂直量程設(shè)置降到多低。所有示波器的垂直刻度設(shè)置都有一個(gè)極限點(diǎn)，超過(guò)這個(gè)點(diǎn)，硬件不再起作用，這時(shí)，即使用戶繼續(xù)使用旋鈕將垂直刻度設(shè)置變得更低，也不會(huì)改進(jìn)分辨率， 因?yàn)檫@時(shí)用的是軟件放大功能。示波器廠商通常將這個(gè)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此之后，即使將示波器的垂直刻度設(shè)置得更小，也只能在顯示效果上放大信號(hào)，但無(wú)法像用戶期待的那樣提高分辨率，因?yàn)檫@時(shí)示波器是用軟件放大波形。傳統(tǒng)示波器在垂直量程設(shè)置降至 10mV/格以下，就會(huì)啟用軟件放大功能。另外，部分廠商的示波器會(huì)在較小的垂直刻度設(shè)置(通常是 10 mV/格以下) 時(shí)，自動(dòng)將示波器帶寬限制為遠(yuǎn)低于標(biāo)稱帶寬的一個(gè)值。因?yàn)檫@些示波器的前端噪聲過(guò)于明顯，幾乎不可能在全帶寬上查看小信號(hào)。

我們現(xiàn)在對(duì)比一下兩款示波器。小信號(hào)具有一定的幅度，當(dāng)示波器垂直設(shè)置設(shè)為16 mV 全屏?xí)r，它會(huì)占據(jù)幾乎全屏的空間。

圖 4. 查看小信號(hào)細(xì)節(jié)時(shí), 示波器硬件所支持的最小量程是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo), 決定了您能否查看信號(hào)的最小分辨率。