【導讀】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。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轉換器（ADC）的位數就能實(shí)現的。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(shí)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(shí)現更高的垂直分辨率來(lái)查看信號的細節。
引言
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。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轉換器（ADC）的位數就能實(shí)現的。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(shí)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(shí)現更高的垂直分辨率來(lái)查看信號的細節。
圖1：6系列MSO采用12位ADC、信號處理和低噪聲前端實(shí)現高垂直分辨率
電源開(kāi)關(guān)實(shí)測對比
開(kāi)關(guān)電路在每個(gè)周期后會(huì )產(chǎn)生振蕩，我們的目標是檢查這些振蕩。但與開(kāi)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(jìn)行相同測試的結果。為了看到整個(gè)開(kāi)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(gè)刻度。
測試結果
圖2和圖3顯示了兩臺示波器在相同條件下的測試結果：（采樣率為250MSa/s，采樣點(diǎn)數為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小而導致在高放大倍數下的結果出現了明顯的鋸齒狀，使得分析振蕩變得困難。
圖2：使用8位MDO4000C（左側）和12位 MSO（右側）示波器放大顯示一個(gè)切換信號
圖3. 左圖顯示了MDO4000C示波器的諧振現象（分辨率為8位）；右圖顯示了新的MSO系列示波器的諧振現象（分辨率為12位）
需要更高的垂直分辨率
在數字示波器對信號采樣時(shí)，ADC會(huì )把信號分成多個(gè)垂直二進(jìn)制數據（有時(shí)稱(chēng)為模數轉換電平或量化電平或最低有效位（LSB））。每個(gè)二進(jìn)制數據表示一個(gè)離散的垂直電壓等級，二進(jìn)制數據越多，分辨率越高。這些模數轉換等級在A(yíng)DC中表示為2N ，其中N表示位數。
一般正弦波（圖4a）視垂直分辨率會(huì )表現出很大的差異。圖4b是使用2位ADC轉換后的正弦波，22=4個(gè)模數轉換電平。數據可以存儲在4個(gè)不同的垂直二進(jìn)制數據中：00、01、10或11。4位ADC有16個(gè)模數轉換等級，作為4位數據存儲（圖4c）。因此，模數轉換等級越多，分辨率越高，數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位模數轉換器圖4c: 4位模數轉換器
更高的垂直分辨率提供了兩個(gè)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。
? 可以更精確地測量電壓，這在電源設計驗證中尤其關(guān)鍵。
傳統數字示波器一直基于8位ADC技術(shù)，大部分工程師在設計工作中通過(guò)提高采樣率，從而改善水平分辨率。隨著(zhù)時(shí)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(gè)垂直模數轉換等級，對于需要更高垂直分辨率的應用來(lái)說(shuō)，比如電源設計，這種垂直模數轉換等級可能太粗糙了。
圖5：把多條示波器通道手動(dòng)“縫合”在一起，重建信號
在8位ADC中，查看更多電壓細節的一種常用方法是過(guò)量程測試 + 多條通道。如圖5所示，這種方法會(huì )導致失真，因為8位示波器的輸入放大器可能要費力地從過(guò)量程飽和中恢復過(guò)來(lái)。儀器以這種方式運行時(shí)，測試結果一般沒(méi)法保證。
全新示波器ASIC實(shí)現更高的垂直分辨率
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技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現的垂直分辨率較以前的8位ADC采集系統大大提高。這主要通過(guò)在示波器中實(shí)現認真規劃的ASIC設計來(lái)完成。
在高帶寬、低V/Div設置下降低噪聲，提高增益
全新ASIC還發(fā)揮著(zhù)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(mǎn)刻度。6系列MSO中的全新TEK061 ASIC（圖6b）在高帶寬和小垂直標度下提供了行業(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(huì )從探頭放大器中增加噪聲。圖7是該系統的總體框圖。
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(lái)說(shuō)，示波器ADC一直以最大采樣率運行，而不管采用什么設置。然后用戶(hù)可以設置較低的采樣率，并壓縮（舍棄）樣點(diǎn)去存儲想要的記錄長(cháng)度 / 采樣率的組合。這種模式稱(chēng)為“采樣模式”，也就是扔掉多余的樣點(diǎn)。泰克一直采用稱(chēng)為高分辨率或“HiRes”模式的方法，來(lái)更有效地利用“多余的”樣點(diǎn)。樣點(diǎn)會(huì )進(jìn)行平均，創(chuàng )建所需的采樣率，這個(gè)過(guò)程通常稱(chēng)為“信號組平均”。每個(gè)樣點(diǎn)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(guò)使用信號組平均技術(shù)，垂直分辨率的位數可以提高：
0.5log D
其中：D是壓縮率，或最大采樣率與實(shí)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，不僅執行平均功能，還針對每種采樣率實(shí)現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(hù)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(shí)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階濾波器可以調節，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，確保測量系統的準確性。
在4、5和6系列MSO上，每個(gè)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。矩形濾波器可以實(shí)現最大的噪聲抑制效果，但不能提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應。
吉布斯現象描述了一種效應，大的頻響不連續點(diǎn)（如矩形濾波器）會(huì )在系統的階躍響應中導致振鈴和過(guò)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(huì )引起差的階躍響應。如果沒(méi)有認真均衡，那么示波器可能會(huì )導致差的噪底指標，但在波形顯示中卻不能準確地復現信號。
圖10：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(shí)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(diǎn)
除查看更高分辨率的信號外，用戶(hù)必須能夠放心地捕獲事件。因此，示波器的觸發(fā)系統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(shí)時(shí)執行DSP濾波，使用硬件模塊而不是觸發(fā)系統，因此觸發(fā)可以基于處理后的高分辨率樣點(diǎn)。相比之下，傳統HiRes（信號組平均）方法針對的是存儲的樣點(diǎn)，而不是觸發(fā)信號，因此高頻瞬態(tài)信號或毛刺可能會(huì )假觸發(fā)，在顯示的屏幕上看不到。
把新改進(jìn)的High Res平均和濾波與觸發(fā)緊密集成在一起，還會(huì )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(guò)500,000個(gè)波形，可以與High Res結合使用，更好地查看識別對性能至關(guān)重要的信號細節，如電源設計驗證。圖11左側顯示了FastAcq模式下兩個(gè)邊沿上有噪聲的正弦波假觸發(fā)，右側顯示了打開(kāi)High Res時(shí)的FastAcq信號。右側正在觸發(fā)濾波后的上升沿。
圖11：FastAcq獨立于觸發(fā)系統應用信號組平均功能，出現假觸發(fā)（左）。FastAcq采用新的High Res方法，濾波觸發(fā)（右）。
總結
示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號細節。但是，提供這種分辨率并不能只靠增加ADC的位數。6系列B MSO采用多角度方法，不僅實(shí)現了更高的ADC分辨率，還采用數字信號處理、觸發(fā)系統集成、更高的ENOB和低噪聲模擬前端，從而有效地提高了分辨率。
(來(lái)源：泰克科技）
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