普源示波器的垂直分辨率有多重要

示波器的垂直分辨率指的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的垂直分辨率，用來(lái)衡量示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字值的精確程度，通常用A/D的位數(shù)來(lái)表示。

梳理目前市面上各種品牌和型號(hào)示波器，在ADC 采樣后改善分辨率的方法可以歸納為三種信號(hào)處理算法：平均、線性相位FIR 濾波、分組平均。這里安泰測(cè)試以普源DS70000數(shù)字示波器為例。

普源DS70000數(shù)字示波器

1、平均 (Average )

如果信號(hào)是周期可重復(fù)的，示波器每采集n 段重復(fù)波形，把它們按觸發(fā)位置對(duì)齊，相加后除以n，得到1 段平均后的波形，

觸發(fā)位置抖動(dòng)的結(jié)果是每段波形被錯(cuò)位相加，平均后波形失真。當(dāng)信號(hào)本身的噪聲比較大時(shí)，失真現(xiàn)象更明顯。

2、線性相位FIR 濾波(Linear Phase FIR Filter)

噪聲在頻譜上通常分布得很寬?？梢圆捎脭?shù)字濾波的方法抑制信號(hào)帶寬以外的噪聲，從而提高信噪比、 改善垂直分辨率。一種常用濾波器類型為線性相位 FIR 濾波。在 ERES 功能里能夠直接選擇增強(qiáng)多少bit 分辨率，其實(shí)就是選擇濾波器的帶寬。帶寬越小，信噪比改善得越多，增強(qiáng)的分辨率位數(shù)就越多。

3、分組平均(Group Average )

這種算法在很多示波器里被稱為高分辨率采樣模式 )。一些示波器也稱其為線性平均，或者過(guò)采樣和線性降噪技術(shù)。無(wú)論名稱是什么，本質(zhì)還是對(duì) ADC采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理。這種算法的好處是也可以用于非周期信號(hào)。示波器以最大采樣率采集波形，將一段波形的每n 個(gè)采樣點(diǎn)分成1 組，對(duì)1 組中n個(gè)采樣點(diǎn)取平均得到1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存入采集存儲(chǔ)器中。最終在示波器上顯示的波形是樣點(diǎn)分組平均后的數(shù)據(jù)，樣點(diǎn)數(shù)量被抽取了n 倍，

分組平均提升分辨率的代價(jià)是性能受損和波形失真：

1) 高采樣率和高垂直分辨率不可兼得。比如在8bit、40GSa/s的示波器上要實(shí)現(xiàn)12bit 分辨率，處理后 的采樣率只能到2、5GSa/s 。要使處理后的采樣率達(dá)到5GSa/s，分辨率只能提升到11bit。

2 ) 示波器帶寬和垂直分辨率也不可兼得。在上一條例子中，要實(shí)現(xiàn) 12bit 分辨率，帶寬從4GHz 下降到500MHz。

3 ) 工作在HiRes 模式下的示波器，用戶不能直接選擇增強(qiáng)多少bit 分辨率，它隨示波器的時(shí)間刻度動(dòng)態(tài)變化。

4 ) 分組平均算法對(duì)抑制高斯白噪聲有效果，而對(duì)于示波器ADC的INL(積分非線性)引起的噪聲沒(méi)有抑制作用。

5 ) 信號(hào)比較陡峭的邊沿在HiRES模式下，容易欠采樣。例如信號(hào)邊沿原本有16 個(gè)采樣點(diǎn)，為了提高4bit分辨率，需要每 16 個(gè)點(diǎn)取平均。結(jié)果邊沿只剩下 1 個(gè)樣點(diǎn)。不少示波器以sin(x)/x方式做內(nèi)插，在欠采樣的情況下會(huì)導(dǎo)致吉布斯現(xiàn)象，使本來(lái)正常的邊沿出現(xiàn)過(guò)沖、振鈴。

6 ) 分組平均也會(huì)顯著降低示波器波形更新率。

7 ) 分組平均可以有條件地提升分辨率，卻不能改善示波器的準(zhǔn)確度。例如具有硬件12bit ADC 示波器的直流增益精度可以達(dá)到± 0、5% 。采用過(guò)采樣和線性降噪技術(shù)提升到12bit 分辨率的示波器，直流增益 精度仍然是8bi ADC 示波器的水平：±2%

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