提高垂直分辨率 改善測量精度

引言

提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計者的目標(biāo)，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)。

圖1：6系列MSO采用12位ADC、信號處理和低噪聲前端實現(xiàn)高垂直分辨率

電源開關(guān)實測對比

開關(guān)電路在每個周期后會產(chǎn)生振蕩，我們的目標(biāo)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(shè)置為大約1V/分以將信號適應(yīng)顯示的10個刻度。

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(xué)隔離電壓探頭，以消除其它探頭可能引入的噪聲?？梢钥吹?位示波器由于量化級數(shù)小而導(dǎo)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：使用8位MDO4000C（左側(cè)）和12位 MSO（右側(cè)）示波器放大顯示一個切換信號

圖3. 左圖顯示了MDO4000C示波器的諧振現(xiàn)象（分辨率為8位）；右圖顯示了新的MSO系列示波器的諧振現(xiàn)象（分辨率為12位）

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。

圖4a: 模擬信號 圖4b: 2位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 圖4c: 4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

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(shè)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(shè)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(yīng)用來說，比如電源設(shè)計，這種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級可能太粗糙了。

圖5：把多條示波器通道手動“縫合”在一起，重建信號

在8位ADC中，查看更多電壓細節(jié)的一種常用方法是過量程測試 + 多條通道。如圖5所示，這種方法會導(dǎo)致失真，因為8位示波器的輸入放大器可能要費力地從過量程飽和中恢復(fù)過來。儀器以這種方式運行時，測試結(jié)果一般沒法保證。

全新示波器ASIC實現(xiàn)更高的垂直分辨率

圖6a：全新泰克12位ASIC 圖6b：全新泰克模擬放大器ASIC 圖6c：全新泰克模擬前端ASIC（TEK049） （TEK061） （TEK026D）

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(shè)計來完成。

在高帶寬、低V/Div設(shè)置下降低噪聲，提高增益

全新ASIC還發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使得示波器能夠支持示波器顯示器上的各種滿刻度。6系列MSO中的全新TEK061 ASIC（圖6b）在高帶寬和小垂直標(biāo)度下提供了行業(yè)領(lǐng)先的性能。全新 TEK026D（圖6c）ASIC適用于4、5和6系列，保證超低噪聲，甚至可以精確探測1GHz，而不會從探頭放大器中增加噪聲。圖7是該系統(tǒng)的總體框圖。

圖7：4、5和6系列MSO一條通道的采集路徑

硬件濾波器技術(shù)改善垂直分辨率

一般來說，示波器ADC一直以最大采樣率運行，而不管采用什么設(shè)置。然后用戶可以設(shè)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(zhǔn)確度，有效地提高了垂直分辨率。圖8比較了采樣模式與HiRes（信號組平均）模式。

圖8：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：

0.5log D

其中：D是壓縮率，或最大采樣率與實際采樣率之比。

全新高分辨率模式（也叫High Res）利用TEK049ASIC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(shè)計的有限脈沖響應(yīng)（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9介紹了濾波器使用方式上的差異。

圖9：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(shè)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(zhǔn)確性。

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

吉布斯現(xiàn)象描述了一種效應(yīng)，大的頻響不連續(xù)點（如矩形濾波器）會在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中導(dǎo)致振鈴和過沖/下沖，如圖10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(yīng)。如果沒有認真均衡，那么示波器可能會導(dǎo)致差的噪底指標(biāo)，但在波形顯示中卻不能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)信號。

圖10：High Res模式下矩形信號的階躍響應(yīng)

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(shè)計驗證。圖11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11：FastAcq獨立于觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)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）。

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)。6系列B 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。