示波器垂直位數分辨率介紹和應用

自1991以來，英國比克科技一直在PC示波器的發展上起著先鋒作用。這些緊湊的示波器，與傳統全尺寸的數字存儲示波器一樣（DSO），已經在市面上得到大量使用。所有這些數字存儲示波器背后的驅動力一直是數字電子。隨著數字電路時鐘速度的增加，示波器制造商通過設計更快采樣率和更高帶寬的示波器來應對數字電路的挑戰。不幸的是，這些不能滿足模擬電路設計師的要求：追求更高速度一直是以犧牲動態性能和分辨率為代價的。海洋儀器為了給模擬設計師所需要的示波器，專門推出4262高分辨率的Picoscope示波器和靈活可調分辨率的5000系列Picoscope示波器。

一、什么是數字示波器（DSO）的精度?

示波器的精度取決于它的分辨率。以下是一些可用分辨率的特點：

對大多數示波器而言，精度的重要性往往被忽視，工程師可以在百分之幾的誤差內進行測量（大多數數字示波器DSO一般為3%～5%直流精度），如需要準確測量，需要使用萬用表。然而，使用精密示波器進行高速準確測量變為可能。大多數手持萬用表具有12位分辨率（相當于3?位，例如BM805），而16位示波器等效分辨率為4?位臺式萬用表（例如ODM5514）。

除了分辨率和準確性外，噪音也是一個問題。傳統示波器前端放大器的設計為高帶寬，但是沒有考慮低噪聲的問題。16位示波器的設計者面對更艱巨的工作，因為僅0.0015%的噪聲就足以掩蓋其測量信號。

比克科技擁有超過20年的經驗，不像一些競爭者的設計，僅僅提供可替代的8位ADC示波器，而Picoscopes設計徹底實現低噪聲和低失真。海洋儀器提供的12位或16位示波器（例如4262智能動態信號分析儀或高分辨率示波器）具有超強的分辨率，顯著改善了直流精度、動態范圍和信號噪聲比。

二、應用1：低成本信號發生器

下面分別描述典型的8位、12位和16位不同PicoScope示波器的時域和頻域顯示。信號源是在一個Android智能手機上運行的FuncGen程序，產生了一個250Hz正弦波，最大幅度為170mV。

1、使用8位示波器

一臺8位PicoScope示波器（例如2206B型）給出了一個足夠好的視覺來顯示波形，如圖1所示。該波的頻率和振幅，可以合理的精度測量。但是，放大64倍后（圖2）顯示了8位分辨率的限制。

圖3顯示了信號的頻譜分析圖（FFT）。在250Hz的峰值是輸入信號的基本頻率，無雜散動態范圍(SFDR)表現為標尺間的△值，約為68dB。底噪掩蓋了輸入信號的真實特性。

2、使用12位示波器

以上同一信號由一臺12位PicoScope示波器（例如4424型）捕獲，在正常范圍視圖中看起來相同，如圖4所示。放大64倍后（圖5）沒有顯示出數字化臺階，但是由于具有12位分辨率，我們可以看到8位示波器所看不見的噪聲。圖6顯示了信號的頻譜分析圖（FFT），無雜散動態范圍(SFDR)約為72dB，并且可以看見在二次上的失真峰值(500Hz)和三次諧波(750Hz)。

3、使用16位示波器

使用16位PicoScope示波器（例如4262型），放大64倍后的波形比較清晰，當然，信號源上的噪聲仍然可見(圖8中插入的圖片顯示了加入10kHz數字濾波器到PicoScope后的效果)。頻譜顯示與12位示波器一樣，得到相同的諧波雜散和SFDR，表明失真是信號源引起的，而非示波器產生。

此時示波器的FFT頻譜分析儀功能設置

上文使用的頻譜分析器視圖，盡可能地使用以下設置：

?頻率范圍：0～1kHz；

?頻譜框：≥8k；

?顯示模式：平均；

?FFT加窗模式：Blackman-Harris窗。

三、應用2:低失真信號發生器

在該測試中，我們使用用PicoScope4262型示波器/音頻分析儀內置得低失真信號發生器取代低成本的信號發生器。這樣，我們能夠測試顯示在PicoScope4262前端具有具有非常低的失真所帶來的好處。該發生器設置為10kHz正弦波，其幅度為990mV。

1、使用8位示波器

正如前面的測試，8位示波器可足夠查看波形的整體形狀（圖10），但在64倍放大后，其顯示就有了局限性（圖11）。

FFT頻譜分析圖（圖12）顯示了10KHz基波。如果信號中有其它成分，它們被底噪淹沒，約低于70dB峰值。

2、使用12位示波器

同一信號由一臺12位PicoScope示波器（例如4424型）捕獲，在正常范圍視圖中看起來相同，如圖13所示。放大64倍后（圖14），看上去比8位示波器更清晰，視覺上具有非常小的噪聲和數字化臺階。在頻譜視圖中（圖15），本底噪聲現在低到足以顯示一些諧波和其它雜散信號，達到約76dB低于10KHz峰值。在這個階段，我們不知道它們否是由示波器還是信號發生器導致。

3、使用16-位示波器

使用16位PicoScope4262示波器，放大64倍后的波形平滑且無噪聲，沒有數字化導致的失真信號。頻譜曲線顯示約96dB的動態范圍（SFDR），比12位示波器具有更低的本底噪聲。失真峰值是20dB，低于12位示波器，表明在以前的測試中所看到的大多數失真是12位示波器的局限所導致的，而不是信號發生器。

此時示波器的FFT頻譜分析儀功能設置

上文使用的頻譜分析器視圖，盡可能地使用以下設置：

?頻率范圍：0～50kHz；

?頻譜框：≥8k；

?顯示模式：平均；

?FFT加窗模式：Blackman–Harris窗。

不管哪種示波器，應把FFT本底噪聲放到感興趣信號的下面，選擇合適的頻譜框數量。

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