提高垂直分辨率 改善测量精度

引言

提高垂直分辨率一直是示波器设计者的目标，因为工程师需要测量更精细的信号细节。但是，想获得更高垂直分辨率并不只理论上增加示波器模数转换器（ADC）的位数就能实现的。泰克4、5 和6系列示波器采用全新的12位ADC和两种新型低噪声放大器，不仅在理论上提高分辨率，在实用中垂直分辨率性能大大提升。这些颠覆式的产品拥有高清显示器和快速波形更新速率，并且实现更高的垂直分辨率来查看信号的细节。

图1：6系列MSO采用12位ADC、信号处理和低噪声前端实现高垂直分辨率

电源开关实测对比

开关电路在每个周期后会产生振荡，我们的目标是检查这些振荡。但与开关信号的幅度相比，振荡相对较小。图1显示了使用不同垂直分辨率示波器进行相同测试的结果。为了看到整个开关周期，垂直刻度必须设置为大约1V/分以将信号适应显示的10个刻度。

测试结果

图2和图3显示了两台示波器在相同条件下的测试结果：（采样率为250MSa/s，采样点数为10k，垂至刻度为1V）。两台仪器都使用了相同的 IsoVu 光学隔离电压探头，以消除其它探头可能引入的噪声。可以看到8位示波器由于量化级数小而导致在高放大倍数下的结果出现了明显的锯齿状，使得分析振荡变得困难。

图2：使用8位MDO4000C（左侧）和12位 MSO（右侧）示波器放大显示一个切换信号

图3. 左图显示了MDO4000C示波器的谐振现象（分辨率为8位）；右图显示了新的MSO系列示波器的谐振现象（分辨率为12位）

需要更高的垂直分辨率

在数字示波器对信号采样时，ADC会把信号分成多个垂直二进制数据（有时称为模数转换电平或量化电平或最低有效位（LSB））。每个二进制数据表示一个离散的垂直电压等级，二进制数据越多，分辨率越高。这些模数转换等级在ADC中表示为2N ，其中N表示位数。

一般正弦波（图4a）视垂直分辨率会表现出很大的差异。图4b是使用2位ADC转换后的正弦波，22=4个模数转换电平。数据可以存储在4个不同的垂直二进制数据中：00、01、10或11。4位ADC有16个模数转换等级，作为4位数据存储（图4c）。因此，模数转换等级越多，分辨率越高，数字示波器表示的信号越接近原始模拟信号。

图4a: 模拟信号                             图4b: 2位模数转换器                        图4c: 4位模数转换器

更高的垂直分辨率提供了两个重要优势：

•  清楚地查看信号，并能够放大信号，查看信号的细节。

•  可以更精确地测量电压，这在电源设计验证中尤其关键。

传统数字示波器一直基于8位ADC技术，大部分工程师在设计工作中通过提高采样率，从而改善水平分辨率。随着时间推移，8位ADC在采样率、噪声性能、低失真方面都得到了优化。但ADC本身只能提供 28=256个垂直模数转换等级，对于需要更高垂直分辨率的应用来说，比如电源设计，这种垂直模数转换等级可能太粗糙了。

图5：把多条示波器通道手动“缝合”在一起，重建信号

在8位ADC中，查看更多电压细节的一种常用方法是过量程测试 + 多条通道。如图5所示，这种方法会导致失真，因为8位示波器的输入放大器可能要费力地从过量程饱和中恢复过来。仪器以这种方式运行时，测试结果一般没法保证。

全新示波器ASIC实现更高的垂直分辨率

图6a：全新泰克12位ASIC（TEK049）          图6b：全新泰克模拟放大器ASIC（TEK061）   图6c：全新泰克模拟前端ASIC（TEK026D）

由于示波器采集系统技术的发展，实现的垂直分辨率较以前的8位ADC采集系统大大提高。这主要通过在示波器中实现认真规划的ASIC设计来完成。

在高带宽、低V/Div设置下降低噪声，提高增益

全新ASIC还发挥着关键作用，使得示波器能够支持示波器显示器上的各种满刻度。6系列MSO中的全新TEK061 ASIC（图6b）在高带宽和小垂直标度下提供了行业领先的性能。全新 TEK026D（图6c）ASIC适用于4、5和6系列，保证超低噪声，甚至可以精确探测1GHz，而不会从探头放大器中增加噪声。图7是该系统的总体框图。

图7：4、5和6系列MSO一条通道的采集路径

硬件滤波器技术改善垂直分辨率

一般来说，示波器ADC一直以最大采样率运行，而不管采用什么设置。然后用户可以设置较低的采样率，并压缩（舍弃）样点去存储想要的记录长度 / 采样率的组合。这种模式称为“采样模式”，也就是扔掉多余的样点。泰克一直采用称为高分辨率或“HiRes”模式的方法，来更有效地利用“多余的”样点。样点会进行平均，创建所需的采样率，这个过程通常称为“信号组平均”。每个样点由更多的信息组成，提供了更好的准确度，有效地提高了垂直分辨率。图8比较了采样模式与HiRes（信号组平均）模式。

图8：采样模式与HiRes（信号串平均）模式比较

通过使用信号组平均技术，垂直分辨率的位数可以提高：0.5log D

其中：D是压缩率，或最大采样率与实际采样率之比。

全新高分辨率模式（也叫High Res）利用TEK049ASIC中的硬件，不仅执行平均功能，还针对每种采样率实现了防失真滤波器和一套独特设计的有限脉冲响应（FIR）滤波器，确保用户以最高分辨率表示被测的原始信号。FIR滤波器对选定的采样率保持最大带宽，防止失真，在超出可用带宽时消除噪声能量。图9介绍了滤波器使用方式上的差异。

图9：与 MSO/DPO5000相比，4、5和6系列MSO的滤波器功能得到明显改善。5阶和17阶滤波器可以调节，具体视示波器设置而定；6系列上的FFT（触发后）提供了探头校正功能，确保测量系统的准确性。

在4、5和6系列MSO上，每个滤波器的低通响应是为全面平衡噪声抑制和瞬态阶跃响应而设计的。矩形滤波器可以实现最大的噪声抑制效果，但不能提供最优的瞬态响应。

吉布斯现象描述了一种效应，大的频响不连续点（如矩形滤波器）会在系统的阶跃响应中导致振铃和过冲/下冲，如图10所示。因此，均衡方法必须考虑限制噪声，而不会引起差的阶跃响应。如果没有认真均衡，那么示波器可能会导致差的噪底指标，但在波形显示中却不能准确地复现信号。

图10：High Res模式下矩形信号的阶跃响应

4、5和6系列MSO中的High Res模式一直提供了最低12位的垂直分辨率，在125MS/s或以下采样率时提供了高达16位的垂直分辨率。

ASIC可以触发并快速显示高分辨率样点

除查看更高分辨率的信号外，用户必须能够放心地捕获事件。因此，示波器的触发系统必须能够处理更高的分辨率，以一致的方式捕获显示的行为。由于TEK049 ASIC实时执行DSP滤波，使用硬件模块而不是触发系统，因此触发可以基于处理后的高分辨率样点。相比之下，传统HiRes（信号组平均）方法针对的是存储的样点，而不是触发信号，因此高频瞬态信号或毛刺可能会假触发，在显示的屏幕上看不到。

把新改进的High Res平均和滤波与触发紧密集成在一起，还会改善显示模式，如FastAcq®波形快速捕获。在这种模式下，仪器每秒可以捕获超过500,000个波形，可以与High Res结合使用，更好地查看识别对性能至关重要的信号细节，如电源设计验证。图11左侧显示了FastAcq模式下两个边沿上有噪声的正弦波假触发，右侧显示了打开High Res时的FastAcq信号。右侧正在触发滤波后的上升沿。

图11：FastAcq独立于触发系统应用信号组平均功能，出现假触发（左）。FastAcq采用新的High Res方法，滤波触发（右）。

总结

示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信号细节。但是，提供这种分辨率并不能只靠增加ADC的位数。6系列B MSO采用多角度方法，不仅实现了更高的ADC分辨率，还采用数字信号处理、触发系统集成、更高的ENOB和低噪声模拟前端，从而有效地提高了分辨率。

了解泰克6系列B MSO更多细节，https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/6-series-mso。

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