示波器的ADC對垂直分辨率有何影響？

所謂的ADC，其全稱是Analog-to-Digital Converter 模擬數字轉換器的意思。通常來說，自然界產生的信號，其實都是模擬信號，像我們說話的聲音，我們看到的圖像，我們感受到的溫度等等。但是這些模擬信號在電子產品中最終都得以數字信號Q的方式進行處理，存儲或者傳輸，那如何把模擬信號轉換成數字信號呢？所以，我們就需要ADC模數轉換器了。

ADC模數轉換器的重要性

1965 年，戈登.摩爾(Gordon Moore) 預測，集成電路(IC) 中晶體管的密度將會每兩年翻一番。該預測被稱為“摩爾定律"，至今仍然非常強大。現如今，計算和模數轉換技術已經出現爆炸性增長。例如我們已經看到，由于 IC 密度的增加，現場可編程門陣列(FPGA) 和中央處理器(CPU) 的性能一直在呈指數增長。

FPGA 和CPU 性能隨時間的變化

隨著摩爾定律影響著處理器的性能，IC 晶體管密度的增加也極大地提高了模數轉換器(ADC) 和數模轉換器的性能。如下圖所示，摩爾定律對這些設備的性能產生了指數效應。

10 位ADC 性能（采樣率）隨時間的變化

隨著數字信號處理技術和數字電路工作速度的提高，以及對于系統靈敏度等要求的不斷提高，對于高速、高精度的ADC（Analog to Digital Converter）、DAC（Digital to Analog Converter）的指標都提出了很高的要求。比如在雷達和衛星通信中，所需要的信號帶寬已經達到了 2 GHz 以上，而下一代的 5G 移動通信技術在使用毫米波頻段時也可能會用到 2 GHz 以上的信號帶寬。雖然有些場合（比如線性調頻雷達）可能采用頻段拼接的方式去實現高的帶寬，但是畢竟拼接的方式比較復雜，而且對于通信或其它復雜調制信號的傳輸也有很多限制。

根據 Nyquist 采樣定律，采樣率至少要是信號帶寬的 2 倍以上。同時為了支持靈活的制式、相控陣或大規模 MIMO 的波束賦形，現代的收發機模塊越來越普遍采用數字中頻直接采樣，這其實進一步提高了對于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。

了解寬帶信號采集的示波器和數字化儀之間的差異

下圖是一個典型的全數字雷達收發信機模塊的結構。

典型的全數字雷達收發信機模塊的結構

高精度ADC模數轉換器的重要性

• 提供更高的采樣精度，從而可以更準確地測量模擬信號。這對于要求高精度測量的應用，如醫療儀器，測試和測量設備以及信號處理系統等是非常重要的。

• 更有效地抑制噪聲，從而可以提高信號質量。這對于對信號質量要求高的應用，如音頻處理，圖像處理和通信系統等是非常重要的。

• 可以提供更大的動態范圍，從而可以測量更廣泛的信號范圍。這對于測量信號變化幅度較大的應用，如重力測量，氣壓測量和加速度測量等是非常重要的。

那么問題來了：示波器的ADC對垂直分辨率有何影響？

- 如果信噪比（SNR）足夠高的話，ADC位數越多即表示可以看到的信號細節越小。

我們知道，所有制造商均指ding了其示波器的ADC位數，分辨率是由示波器中的模數（A/D）轉換器所確定的最小量化水平。

上圖所示的是 8 位分辨率示波器與 12 位分辨率示波器的采集結果對比。兩臺示波器均與相同的低噪聲 10 MHz 參考時鐘信號相連。放大函數用于對每個捕獲波形的頂部進行放大。

唯yi的數字編碼或量級（Q 級）的位數是 2n，其中 n 是指 ADC 位數。8 位 ADC 具有256 Q 級，而 12 位 ADC 具有 4096 Q 級。每個示波器 ADC 在示波器的全量程垂直值內工作，因此，Q 電平步進與全標度垂直示波器設置有關。

如果用戶將垂直設置調整為 100 mV/ 格，例如全屏等于 800 mV（8 格 x 100 mV/ 格），Q 電平分辨率等于 3.125mV/ 電平（800 mV / 256 電平）。

如果測量電流，對于 10 mA/ 格的垂直設置，Q 電平分辨率設置為 312.5 μA/ 電平（80 mA / 256 電平）。

如果信噪比（SNR）足夠高的話，ADC位數越多即表示可以看到的信號細節越小。

對于下圖中所示的增加的分辨率位數的有效性，噪聲通常具有更重要的影響。在這個示例中，無論是擁有 12 位 ADC 的 LeCroy HRO66Zi，還是擁有 12 位垂直分辨率的 KeysightDSO9054H，均充分利用了 10 位的分辨率。分辨率的較低兩位被整個垂直設置量程的前端噪聲所消耗。

示波器全標度垂直讀數

量程設置對示波器分辨率的影響

量程設置對示波器的分辨率利用程度影響很大。

啟用模數轉換器(ADC) 首先需要設置垂直刻度并盡可能全屏顯示波形。舉個例子，假如被測信號波形占據示波器屏幕的?，那么 8 位ADC 實際被使用的位數就降到了7 位。又假設波形只占屏幕的?，那么ADC 實際被使用的位數就從 8 位降至 6 位。如果將波形放大到占據整個屏幕，示波器ADC 的 8 位分辨率就可以得到最充分利用。要獲得最佳分辨率，就必須使用垂直刻度設置， 在顯示屏上盡可能接近滿屏顯示波形。

ADC、示波器前端架構及使用的探頭決定了示波器硬件能夠支持將垂直量程設置降到多低。所有示波器的垂直刻度設置都有一個極限點，超過這個點，硬件不再起作用，這時，即使用戶繼續使用旋鈕將垂直刻度設置變得更低，也不會改進分辨率， 因為這時用的是軟件放大功能。示波器廠商通常將這個點作為轉折點，在此之后，即使將示波器的垂直刻度設置得更小，也只能在顯示效果上放大信號，但無法像用戶期待的那樣提高分辨率，因為這時示波器是用軟件放大波形。傳統示波器在垂直量程設置降至 10mV/格以下，就會啟用軟件放大功能。另外，部分廠商的示波器會在較小的垂直刻度設置(通常是 10 mV/格以下) 時，自動將示波器帶寬限制為遠低于標稱帶寬的一個值。因為這些示波器的前端噪聲過于明顯，幾乎不可能在全帶寬上查看小信號。

我們現在對比一下兩款示波器。小信號具有一定的幅度，當示波器垂直設置設為16 mV 全屏時，它會占據幾乎全屏的空間。

• Infiniium 9000 系列示波器等傳統示波器硬件支持的最小刻度是7 mV/格, 低于該設置的垂直刻度, 是用軟件放大實現的, 7 mV/格的設置意味著量程是 56 mV (7 mV/格x 8 格), 該示波器采用了8 位ADC, 量化電平數是256, 因此其最小分辨率為218 uV。

• In?niium S 系列示波器采用了10 位ADC, 硬件支持的最小垂直刻度是2 mV/格, 并且該設置支持滿帶寬。2 mV/格設置對應的量程為 16 mV (2 mV/格x 8 格), 因此分辨率為 16 mV/1024, 即為15.6 uV — 是傳統的8 位示波器的14 倍(參見圖4)。

圖 4. 查看小信號細節時, 示波器硬件所支持的最小量程是一個關鍵指標, 決定了您能否查看信號的最小分辨率。