示波器的ADC對垂直分辨率有何影響？

所謂的ADC，其全稱是Analog-to-Digital Converter 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的意思。通常來說，自然界產(chǎn)生的信號，其實都是模擬信號，像我們說話的聲音，我們看到的圖像，我們感受到的溫度等等。但是這些模擬信號在電子產(chǎn)品中最終都得以數(shù)字信號Q的方式進行處理，存儲或者傳輸，那如何把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號呢？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) 預測，集成電路(IC) 中晶體管的密度將會每兩年翻一番。該預測被稱為“摩爾定律"，至今仍然非常強大。現(xiàn)如今，計算和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術已經(jīng)出現(xiàn)爆炸性增長。例如我們已經(jīng)看到，由于 IC 密度的增加，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 和中央處理器(CPU) 的性能一直在呈指數(shù)增長。

FPGA 和CPU 性能隨時間的變化

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，摩爾定律對這些設備的性能產(chǎn)生了指數(shù)效應。

10 位ADC 性能（采樣率）隨時間的變化

隨著數(shù)字信號處理技術和數(shù)字電路工作速度的提高，以及對于系統(tǒng)靈敏度等要求的不斷提高，對于高速、高精度的ADC（Analog to Digital Converter）、DAC（Digital to Analog Converter）的指標都提出了很高的要求。比如在雷達和衛(wèi)星通信中，所需要的信號帶寬已經(jīng)達到了 2 GHz 以上，而下一代的 5G 移動通信技術在使用毫米波頻段時也可能會用到 2 GHz 以上的信號帶寬。雖然有些場合（比如線性調(diào)頻雷達）可能采用頻段拼接的方式去實現(xiàn)高的帶寬，但是畢竟拼接的方式比較復雜，而且對于通信或其它復雜調(diào)制信號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帶寬的 2 倍以上。同時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)機模塊越來越普遍采用數(shù)字中頻直接采樣，這其實進一步提高了對于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。

了解寬帶信號采集的示波器和數(shù)字化儀之間的差異

下圖是一個典型的全數(shù)字雷達收發(fā)信機模塊的結(jié)構(gòu)。

典型的全數(shù)字雷達收發(fā)信機模塊的結(jié)構(gòu)

高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的重要性

• 提供更高的采樣精度，從而可以更準確地測量模擬信號。這對于要求高精度測量的應用，如醫(yī)療儀器，測試和測量設備以及信號處理系統(tǒng)等是非常重要的。

• 更有效地抑制噪聲，從而可以提高信號質(zhì)量。這對于對信號質(zhì)量要求高的應用，如音頻處理，圖像處理和通信系統(tǒng)等是非常重要的。

• 可以提供更大的動態(tài)范圍，從而可以測量更廣泛的信號范圍。這對于測量信號變化幅度較大的應用，如重力測量，氣壓測量和加速度測量等是非常重要的。

那么問題來了：示波器的ADC對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細節(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)果對比。兩臺示波器均與相同的低噪聲 10 MHz 參考時鐘信號相連。放大函數(shù)用于對每個捕獲波形的頂部進行放大。

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

如果用戶將垂直設置調(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）。

如果測量電流，對于 10 mA/ 格的垂直設置，Q 電平分辨率設置為 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細節(jié)越小。

對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。在這個示例中，無論是擁有 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垂直設置量程的前端噪聲所消耗。

示波器全標度垂直讀數(shù)

量程設置對示波器分辨率的影響

量程設置對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) 首先需要設置垂直刻度并盡可能全屏顯示波形。舉個例子，假如被測信號波形占據(jù)示波器屏幕的?，那么 8 位ADC 實際被使用的位數(shù)就降到了7 位。又假設波形只占屏幕的?，那么ADC 實際被使用的位數(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置降到多低。所有示波器的垂直刻度設置都有一個極限點，超過這個點，硬件不再起作用，這時，即使用戶繼續(xù)使用旋鈕將垂直刻度設置變得更低，也不會改進分辨率， 因為這時用的是軟件放大功能。示波器廠商通常將這個點作為轉(zhuǎn)折點，在此之后，即使將示波器的垂直刻度設置得更小，也只能在顯示效果上放大信號，但無法像用戶期待的那樣提高分辨率，因為這時示波器是用軟件放大波形。傳統(tǒng)示波器在垂直量程設置降至 10mV/格以下，就會啟用軟件放大功能。另外，部分廠商的示波器會在較小的垂直刻度設置(通常是 10 mV/格以下) 時，自動將示波器帶寬限制為遠低于標稱帶寬的一個值。因為這些示波器的前端噪聲過于明顯，幾乎不可能在全帶寬上查看小信號。

我們現(xiàn)在對比一下兩款示波器。小信號具有一定的幅度，當示波器垂直設置設為16 mV 全屏時，它會占據(jù)幾乎全屏的空間。

• Infiniium 9000 系列示波器等傳統(tǒng)示波器硬件支持的最小刻度是7 mV/格, 低于該設置的垂直刻度, 是用軟件放大實現(xiàn)的, 7 mV/格的設置意味著量程是 56 mV (7 mV/格x 8 格), 該示波器采用了8 位ADC, 量化電平數(shù)是256, 因此其最小分辨率為218 uV。

• In?niium S 系列示波器采用了10 位ADC, 硬件支持的最小垂直刻度是2 mV/格, 并且該設置支持滿帶寬。2 mV/格設置對應的量程為 16 mV (2 mV/格x 8 格), 因此分辨率為 16 mV/1024, 即為15.6 uV — 是傳統(tǒng)的8 位示波器的14 倍(參見圖4)。

圖 4. 查看小信號細節(jié)時, 示波器硬件所支持的最小量程是一個關鍵指標, 決定了您能否查看信號的最小分辨率。