实时示波器由于采样率高,ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求,美国力科公司研发了新型实时示波器WaveRunner HRO 6Zi,简称HRO (High Resolution Oscilloscope)。其ADC位数到达12bit,同时具备较高的采样率 - 2GS/s。存储深度(记录长度)可以到达每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然,它也具备示波器擅长的测量、分析和调试功能,易用性更好。
ADC位数对垂直分辨率有多大影响?我们来看下图,这是用8bit示波器和12bit示波器分别对同一个信号采集后,对其中部分波形放大显示的结果。
可以看出8bit示波器采集的波形出现台阶状现象,这是因为信号的微小变化和ADC量化误差相当,信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师使用示波器时并没有注意到这个现象。好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机,站在5米外观看可能看不出差别,靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节,也就有类似的效果。
垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方,一台高分辨率的电视机,如果它内部电路噪声很大,导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理,示波器ADC能够分辨的最小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢?有的示波器厂家喜欢用基底噪声(noise floor):示波器不输入信号,测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号,示波器内部电路的工作状态可能差别很大。下面两图是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比的5GHz正弦波的对比图,并分别对时域波形做FFT,观察频域。在没有信号输入时,频域噪底比较平坦,而输入正弦波后,除了信号基频和谐波分量以外,出现不少杂散,而且噪底的形状也不再平坦。因此基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。
更科学的指标是信号与噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio ,SINAD),以及有效位数(Effective Number Of Bits,ENOB)。SINAD的测量需要输入一定频率一定幅度的高信噪比正弦波给示波器,计算信号功率和噪声失真功率之比。ENOB在数学上可以通过SINAD计算得到。SINAD、ENOB与输入信号频率、幅度的大小以及示波器的工作状态都有关,更详细的说明请参考:
http://cdn.lecroy.com/files/appnotes/computation_of_effective_no_bits.pdf[page]
力科HRO不仅ADC位数比其他实时示波器高,也有极低的噪声水平。典型的信噪比为55dB。而8bit示波器一般只有35~40dB。下图是将一个多谐波信号分别输入到8bit和12bit示波器,转化到频域观察。两者频域的垂直刻度和基准都一样,可以看出,12bit示波器的频域噪底比8bit示波器低大约10dB
我们来看一个实际的测试案例:需要对某开关电源产品中的功率MOS管进行分析。其中有一个测试项是MOS管导通损耗。分别用电压和电流探头测量漏源电压Vds与漏极电流Ids,在示波器上将两个波形相乘得到功率波形,导通期间的功率就是导通损耗。由于在导通期间,Vds与Ids的值都很小,和8bit示波器的量化误差相当。可以将Vds波形导通时的波形放大观察,也会出现前文提到的台阶状现象:
而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试,8bit示波器测量的导通损耗是1.5W,HRO测量的导通损耗是688mW :
使用低分辨率示波器的工程师,也许花费很多精力物力去降低导通损耗,殊不知测量结果主要是量化误差。
总结:
力科HRO示波器的高分辨率特性,使其特别适合测量和分析微小变化的信号,如高精度传感器和执行器;心电、脑电等微弱生理信号;电源噪声和纹波;无线中频信号等等。
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