示波器12bit“芯”趨勢，如何實現(xiàn)更高測量精度？

提高垂直分辨率一直是示波器設計者的目標，因為工程師需要測量更精細的信號細節(jié)。但是，想獲得更高垂直分辨率并不只理論上增加示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的位數(shù)就能實現(xiàn)的。泰克4、5和6系列示波器采用全新的12位ADC和兩種新型低噪聲放大器，不僅在理論上提高分辨率，在實用中垂直分辨率性能也大大提升。這些顛覆式的產(chǎn)品擁有高清顯示器和快速波形更新速率，并且實現(xiàn)更高的垂直分辨率來查看信號的細節(jié)。

本文重點介紹泰克4、5和6系列MSO設計者實現(xiàn)更高分辨率采集細節(jié)所采用的技術(shù)，另外還介紹了有效位數(shù)（ENOB）指標，以及這一重要性能指標的作用和局限性。

先來看一個電源開關(guān)實測對比

在這個例子中，我們想要觀察一個相當大的開關(guān)信號上的周期性振蕩。開關(guān)電路在每個周期后會產(chǎn)生振蕩，我們的目標是檢查這些振蕩。但與開關(guān)信號的幅度相比，振蕩相對較小。圖1顯示了使用不同垂直分辨率示波器進行相同測試的結(jié)果。為了看到整個開關(guān)周期，垂直刻度必須設置為大約1V/分以將信號適應顯示的10個刻度。

圖1. 使用8位MDO4000C（左側(cè)）和12位4系列MSO（右側(cè)）示波器放大顯示一個切換信號

測試結(jié)果：圖2和圖3顯示了兩臺示波器在相同條件下的測試結(jié)果：（采樣率為250MSa/s，采樣點數(shù)為10k，垂至刻度為1V）。兩臺儀器都使用了相同的IsoVu光學隔離電壓探頭，以消除其它探頭可能引入的噪聲。可以看到，8位示波器由于量化級數(shù)小而導致在高放大倍數(shù)下的結(jié)果出現(xiàn)了明顯的鋸齒狀，使得分析振蕩變得困難。

圖2. 顯示了MDO4000C示波器的諧振現(xiàn)象（分辨率為8位）

然而，12位示波器在相似的放大倍數(shù)下依然可以清晰地顯示振蕩細節(jié)。

圖3. 顯示了新的4系列MSO示波器的諧振現(xiàn)象（分辨率為12位）

新的4、5和6系列MSO示波器提供12位垂直分辨率，能夠看到更多信號細節(jié)并進行更準確的測量。

需要更高的垂直分辨率

在數(shù)字示波器對信號采樣時，ADC會把信號分成多個垂直二進制數(shù)據(jù)（有時稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換電平或量化電平或最低有效位（LSB））。每個二進制數(shù)據(jù)表示一個離散的垂直電壓等級，二進制數(shù)據(jù)越多，分辨率越高。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換等級在ADC中表示為2N，其中N表示位數(shù)。

一般正弦波（圖4a）視垂直分辨率會表現(xiàn)出很大的差異。圖4b是使用2位ADC轉(zhuǎn)換后的正弦波，22=4個模數(shù)轉(zhuǎn)換電平。數(shù)據(jù)可以存儲在4個不同的垂直二進制數(shù)據(jù)中：00、01、10或11。4位ADC有16個模數(shù)轉(zhuǎn)換等級，作為4位數(shù)據(jù)存儲（圖4c）。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換等級越多，分辨率越高，數(shù)字示波器表示的信號越接近原始模擬信號。

更高的垂直分辨率提供了兩個重要優(yōu)勢：

• 清楚地查看信號，并能夠放大信號，查看信號的細節(jié)。
• 可以更精確地測量電壓，這在電源設計驗證中尤其關(guān)鍵。

傳統(tǒng)數(shù)字示波器一直基于8位ADC技術(shù)，大部分工程師在設計工作中通過提高采樣率，從而改善水平分辨率。隨著時間推移，8位ADC在采樣率、噪聲性能、低失真方面都得到了優(yōu)化。但ADC本身只能提供28=256個垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級，對于需要更高垂直分辨率的應用來說，比如電源設計，這種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級可能太粗糙了。

全新示波器ASIC實現(xiàn)更高垂直分辨率

由于示波器采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)的垂直分辨率較以前的8位ADC采集系統(tǒng)大大提高。這主要通過在示波器中實現(xiàn)認真規(guī)劃的ASIC設計來完成。在文中，我們將說明怎樣通過ASIC來大幅度改善分辨率：

• 性能更高的ADC（12位）
• 高清顯示處理技術(shù)
• 改良后的低噪聲、高增益模擬前端
• 硬件濾波器，消除固有噪聲
• 實現(xiàn)高分辨率觸發(fā)

性能更高的ADC（12位）

由于全新ASIC（TEK049）提供了四個12位逐次接近 ADCs（圖5a），TEK049 ADC的運行速率達到了25GS/s，每臺4、5或6系列MSO可以有一個或兩個ASIC，具體視通道數(shù)量而定。

由于TEK049 ASIC內(nèi)置的是12位ADC，它們提供了4,096個垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級，垂直分辨率較以前的8位ADC高出了16倍。在4和5系列MSO中，它們以3.125GS/s提供完成的12位樣點。在6.25GS/s時，數(shù)據(jù)通過12位ADC采集，但存儲在8位存儲內(nèi)存中，以適應ASIC和內(nèi)存之間的最大傳送速率。在6系列MSO中，它們以12.5GS/s提供完成的12位樣點。在25GS/s時，數(shù)據(jù)通過12位ADC采集，但存儲在8位存儲內(nèi)存中，以適應ASIC和內(nèi)存之間的最大傳送速率。

硬件濾波器技術(shù)改善垂直分辨率

多年來，泰克一直提供減噪技術(shù)和垂直分辨率增強功能，在配備8位ADC的儀器上實現(xiàn)8位以上的垂直分辨率。在本文中，我們重點介紹單次采集可以使用的技術(shù)，而不是波形平均或等效時間采樣。

一般來說，示波器ADCs一直以最大采樣率運行，而不管采用什么設置。然后用戶可以設置較低的采樣率，并壓縮（舍棄）樣點去存儲想要的記錄長度/采樣率的組合。這種模式稱為“采樣模式”，也就是扔掉多余的樣點。泰克一直采用稱為高分辨率或“HiRes”模式的方法，來更有效地利用“多余的”樣點。樣點會進行平均，創(chuàng)建所需的采樣率，這個過程通常稱為“信號組平均”。每個樣點由更多的信息組成，提供了更好的準確度，有效地提高了垂直分辨率。圖6比較了采樣模式與HiRes（信號組平均）模式。這種技術(shù)目前仍在廣泛應用。

圖6：采樣模式與HiRes（信號串平均）模式比較。

通過使用信號組平均技術(shù)，垂直分辨率的位數(shù)可以提高：

0.5 log D

其中：D是壓縮率，或最大采樣率與實際采樣率之比。

可以預測，改善垂直分辨率的能力受到系統(tǒng)固有噪聲的限制。例如，如果ADC在通過高本底噪聲的放大器 / 衰減器之后采集樣點，那么這些點的準確度會下降，抵消信號組平均或傳統(tǒng)“HiRes”模式實現(xiàn)的分辨率增強。需要指出的是，在模擬信號調(diào)節(jié)和ADC采樣相結(jié)合來優(yōu)化實時信號特點時，高分辨率模式才會實現(xiàn)最好的效果。

4、5和6系列MSO在信號組平均或“HiRes”方法基礎上作了進一步改進。在傳統(tǒng)方法中，高頻噪聲受到帶寬相對較高的防失真濾波器限制。全新高分辨率模式（也叫High Res）利用TEK049 ASIC中的硬件，不僅執(zhí)行平均功能，還針對每種采樣率實現(xiàn)了防失真濾波器和一套獨特設計的有限脈沖響應（FIR）濾波器，確保用戶以最高分辨率表示被測的原始信號。FIR濾波器對選定的采樣率保持最大帶寬，防止失真，在超出可用帶寬時消除噪聲能量。圖8介紹了濾波器使用方式上的差異。

圖7：與MSO/DPO5000相比，4、5和6系列MSO的濾波器功能得到明顯改善。5階和17階濾波器可以調(diào)節(jié)，具體視示波器設置而定；6系列上的 FFT（觸發(fā)后）提供了探頭校正功能，確保測量系統(tǒng)的準確性。

在4、5和6系列MSO上，每個濾波器的低通響應是為全面平衡噪聲抑制和瞬態(tài)階躍響應而設計的。磚墻濾波器可以實現(xiàn)最大的噪聲抑制效果，但不能提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應。

吉布斯現(xiàn)象描述了一種效應，大的頻響不連續(xù)點（如磚墻濾波器）會在系統(tǒng)的階躍響應中導致振鈴和過沖/下沖，如圖9所示。因此，均衡方法必須考慮限制噪聲，而不會引起差的階躍響應。如果沒有認真均衡，那么示波器可能會導致差的噪底指標，但在波形顯示中卻不能準確地復現(xiàn)信號。

圖8：High Res模式下矩形信號的階躍響應

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或以下采樣率時提供了高達16位的垂直分辨率。

ASIC可以觸發(fā)并快速顯示高分辨率樣點

除查看更高分辨率的信號外，用戶必須能夠放心地捕獲事件。因此，示波器的觸發(fā)系統(tǒng)必須能夠處理更高的分辨率，以一致的方式捕獲顯示的行為。由于TEK049 ASIC實時執(zhí)行DSP濾波，使用硬件模塊而不是觸發(fā)系統(tǒng)，因此觸發(fā)可以基于處理后的高分辨率樣點。相比之下，傳統(tǒng)HiRes（信號組平均）方法針對的是存儲的樣點，而不是觸發(fā)信號，因此高頻瞬態(tài)信號或毛刺可能會假觸發(fā)，在顯示的屏幕上看不到。

把新改進的High Res平均和濾波與觸發(fā)緊密集成在一起，還會改善顯示模式，如FastAcq?波形快速捕獲。在這種模式下，儀器每秒可以捕獲超過500,000個波形，可以與High Res結(jié)合使用，更好地查看識別對性能至關(guān)重要的信號細節(jié)，如電源設計驗證。圖9左側(cè)顯示了FastAcq模式下兩個邊沿上有噪聲的正弦波假觸發(fā)，右側(cè)顯示了打開High Res時的FastAcq信號。右側(cè)正在觸發(fā)濾波后的上升沿。

圖9：FastAcq獨立于觸發(fā)系統(tǒng)應用信號組平均功能，出現(xiàn)假觸發(fā)（左）。FastAcq采用新的High Res方法，濾波觸發(fā)（右）。

分辨率離開準確度是沒有意義的

如果儀器的前端有噪聲或容易發(fā)生失真，或者如果其采樣率發(fā)生時間間隔誤差，那么分辨率再高也是沒有意義的。為了量化有意義的分辨率，除考慮ADC中的位數(shù)外，還必須考慮失真和抖動。為實現(xiàn)這個目標，電子行業(yè)發(fā)明了“有效位數(shù)”（ENOB）的概念，來考察由于噪聲、失真、插補錯誤和采樣抖動導致的誤差。

什么是有效位數(shù)（ENOB）？

ENOB表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器或示波器提供的等效實用位數(shù)，其中考慮了儀器噪聲、諧波失真、線性度和采樣抖動。它輸入質(zhì)量非常高的信號，然后把模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出與該輸入進行對比，來實現(xiàn)這一點。泰克采用 IEEE 模數(shù)轉(zhuǎn)換波形記錄儀標準（IEEE std. 1057）規(guī)定的方法。由于上述噪聲和失真，所以ENOB一直低于ADC中的位數(shù)。一般來說，優(yōu)質(zhì)8位ADC示波器的ENOB在4位和6位之間，具體取決于選擇的帶寬和垂直標度。擁有10位或12位ADCs 的高分辨率示波器的ENOB一般在7位和9位之間。由于ENOB考慮的不只是理論ADC分辨率，所以它是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實際分辨率的更好的指標。

盡管ENOB是確定模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)準確度的一個重要因素，但它并不是比較測量質(zhì)量的萬能指標。它不包括DC偏置、增益、相位和頻率誤差。必須單獨考慮這些誤差，例如，如果進行的測量影響頻率性能的準確度，那么更好的指標可能是誤差矢量幅度（EVM）。ENOB可能會隱藏示波器上頻響或平坦度差的問題。

為實現(xiàn)更高的ENOB，4、5和6系列MSO示波器采用了本白皮書前面重點介紹的增強功能：

• 性能更高的ADC（12位）
• 高清顯示處理技術(shù)
• 改良后的低噪聲、高增益模擬前端
• 硬件濾波器，消除固有噪聲
• 實現(xiàn)高分辨率觸發(fā)

為實現(xiàn)更高的ENOB，圖10對比了來自1.5V DDR3電源的測量截圖。左側(cè)是6位ENOB的傳統(tǒng)8位示波器捕獲的DDR3電源測量截圖。電源似乎有明顯的噪聲和部分顯著的周期性電壓尖峰。右側(cè)顯示的是同一電源的測量截圖，但是使用噪聲更低、7位以上更好ENOB的高分辨率示波器捕獲的。注意與前面的示波器測量相比，基準噪聲大大降低。顯著的周期性尖端在幅度上的一致性也大大提高。使用ENOB更高的示波器，有助于更快、更簡便地識別問題。在本例中，來自1.5V降壓調(diào)節(jié)器的1MHz開關(guān)噪聲是問題根源。

圖11：8位示波器（左）和12位示波器（右）DDR3電源比較。

總結(jié)

示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號細節(jié)。但是，提供這種分辨率并不能只靠增加ADC的位數(shù)。4、5和6系列MSO采用多角度方法，不僅實現(xiàn)了更高的ADC分辨率，還采用數(shù)字信號處理、觸發(fā)系統(tǒng)集成、更高的ENOB和低噪聲模擬前端，從而有效地提高了分辨率。

4、5和6系列MSO性能與上一代儀器比較如下：