示波器垂直位数分辨率介绍和应用

自1991以来，英国比克科技一直在PC示波器的发展上起着先锋作用。这些紧凑的示波器，与传统全尺寸的数字存储示波器一样（DSO），已经在市面上得到大量使用。所有这些数字存储示波器背后的驱动力一直是数字电子。随着数字电路时钟速度的增加，示波器制造商通过设计更快采样率和更高带宽的示波器来应对数字电路的挑战。不幸的是，这些不能满足模拟电路设计师的要求：追求更高速度一直是以牺牲动态性能和分辨率为代价的。海洋仪器为了给模拟设计师所需要的示波器，专门推出4262高分辨率的Picoscope示波器和灵活可调分辨率的5000系列Picoscope示波器。

一、什么是数字示波器（DSO）的精度?

示波器的精度取决于它的分辨率。以下是一些可用分辨率的特点：

对大多数示波器而言，精度的重要性往往被忽视，工程师可以在百分之几的误差内进行测量（大多数数字示波器DSO一般为3%～5%直流精度），如需要准确测量，需要使用万用表。然而，使用精密示波器进行高速准确测量变为可能。大多数手持万用表具有12位分辨率（相当于3½位，例如BM805），而16位示波器等效分辨率为4½位台式万用表（例如ODM5514）。

除了分辨率和准确性外，噪音也是一个问题。传统示波器前端放大器的设计为高带宽，但是没有考虑低噪声的问题。16位示波器的设计者面对更艰巨的工作，因为仅0.0015%的噪声就足以掩盖其测量信号。

比克科技拥有超过20年的经验，不像一些竞争者的设计，仅仅提供可替代的8位ADC示波器，而Picoscopes设计彻底实现低噪声和低失真。海洋仪器提供的12位或16位示波器（例如4262智能动态信号分析仪或高分辨率示波器）具有超强的分辨率，显著改善了直流精度、动态范围和信号噪声比。

二、应用1：低成本信号发生器

下面分别描述典型的8位、12位和16位不同PicoScope示波器的时域和频域显示。信号源是在一个Android智能手机上运行的FuncGen程序，产生了一个250Hz正弦波，最大幅度为170mV。

1、使用8位示波器

一台8位PicoScope示波器（例如2206B型）给出了一个足够好的视觉来显示波形，如图1所示。该波的频率和振幅，可以合理的精度测量。但是，放大64倍后（图2）显示了8位分辨率的限制。

图3显示了信号的频谱分析图（FFT）。在250Hz的峰值是输入信号的基本频率，无杂散动态范围(SFDR)表现为标尺间的△值，约为68dB。底噪掩盖了输入信号的真实特性。

2、使用12位示波器

以上同一信号由一台12位PicoScope示波器（例如4424型）捕获，在正常范围视图中看起来相同，如图4所示。放大64倍后（图5）没有显示出数字化台阶，但是由于具有12位分辨率，我们可以看到8位示波器所看不见的噪声。图6显示了信号的频谱分析图（FFT），无杂散动态范围(SFDR)约为72dB，并且可以看见在二次上的失真峰值(500Hz)和三次谐波(750Hz)。

3、使用16位示波器

使用16位PicoScope示波器（例如4262型），放大64倍后的波形比较清晰，当然，信号源上的噪声仍然可见(图8中插入的图片显示了加入10kHz数字滤波器到PicoScope后的效果)。频谱显示与12位示波器一样，得到相同的谐波杂散和SFDR，表明失真是信号源引起的，而非示波器产生。

此时示波器的FFT频谱分析仪功能设置

上文使用的频谱分析器视图，尽可能地使用以下设置：

•频率范围：0～1kHz；

•频谱框：≥8k；

•显示模式：平均；

•FFT加窗模式：Blackman-Harris窗。

三、应用2:低失真信号发生器

在该测试中，我们使用用PicoScope4262型示波器/音频分析仪内置得低失真信号发生器取代低成本的信号发生器。这样，我们能够测试显示在PicoScope4262前端具有具有非常低的失真所带来的好处。该发生器设置为10kHz正弦波，其幅度为990mV。

1、使用8位示波器

正如前面的测试，8位示波器可足够查看波形的整体形状（图10），但在64倍放大后，其显示就有了局限性（图11）。

FFT频谱分析图（图12）显示了10KHz基波。如果信号中有其它成分，它们被底噪淹没，约低于70dB峰值。

2、使用12位示波器

同一信号由一台12位PicoScope示波器（例如4424型）捕获，在正常范围视图中看起来相同，如图13所示。放大64倍后（图14），看上去比8位示波器更清晰，视觉上具有非常小的噪声和数字化台阶。在频谱视图中（图15），本底噪声现在低到足以显示一些谐波和其它杂散信号，达到约76dB低于10KHz峰值。在这个阶段，我们不知道它们否是由示波器还是信号发生器导致。

3、使用16-位示波器

使用16位PicoScope4262示波器，放大64倍后的波形平滑且无噪声，没有数字化导致的失真信号。频谱曲线显示约96dB的动态范围（SFDR），比12位示波器具有更低的本底噪声。失真峰值是20dB，低于12位示波器，表明在以前的测试中所看到的大多数失真是12位示波器的局限所导致的，而不是信号发生器。

此时示波器的FFT频谱分析仪功能设置

上文使用的频谱分析器视图，尽可能地使用以下设置：

•频率范围：0～50kHz；

•频谱框：≥8k；

•显示模式：平均；

•FFT加窗模式：Blackman–Harris窗。

不管哪种示波器，应把FFT本底噪声放到感兴趣信号的下面，选择合适的频谱框数量。

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