示波器的垂直精度与垂直分辨率

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示波器的垂直精度与垂直分辨率 示波器的垂直世界

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垂直精度、垂直分辨率 摘 要 示波器的垂直精度与垂直分辨率解析

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目录

1. 概述 (1)

1.1垂直精度 (1)

1.2垂直分辨率解析 (1)

1.3算法提高分辨率 (1)

1.3.1几个基本概念 (1)

1.3.2平均算法 (2)

1.3.3高分辨率算法 (3)

2. 小结 (4)

3. 免责声明 (5)

1. 概述

数字存储示波器与万用表相比，测量电压到底是谁更准确呢？当然是万用表，但是为什么大家还会经常使用示波器来进行测量呢？

1.1 垂直精度

提到测量问题，就会涉及到测量精度。用数字存储示波器测量模拟波形第一步就是用ADC将连续的模拟波形信号转换成量化的数字信号，最常用的是8位ADC，也就说对于任何一个波形值都是用256个0和1来重组。

当我们用同一个示波器在不同垂直档位下测量同一信号时，一般情况下得到的测量结果是不一样的，事实上，它涉及到垂直精度的问题，假设当垂直档位为500mV/div时，示波器垂直方向有8格，则其垂直精度分别为（500mV*8）/256=15.625 mV，也就是小于15.625 mV 的电压不会准确测量出来，测量同一个信号，在垂直档位为50mV/div的情况下，即（50mV*8）/256=1.5625 mV，垂直精度就达到了1.5625 mV，小于该垂直精度的电压值是不能测量出来的，即数字测量仪器都是存在采集的量化误差的，只能说ADC的位数越高，量化误差就会越小，但它只能无限减小，并不能消除。

所以当我们在对波形进行测量时，尽量使波形占满示波器屏幕，目的就是为了提高垂直精度，使测量结果更准确。

图1.1 垂直精度示意图

1.2 垂直分辨率解析

我们通常用示波器的垂直分辨率来描述数字示波器中ADC的位数，即位数越高，垂直分辨率越高，该分辨率由硬件决定，一旦确定无法改变。而示波器整个系统的有效位数（ENOB）形成的分辨率与前者不同，它可以由8位变为12位，甚至16位！

示波器整个系统的有效位数（ENOB），它限制着测量系统区分和表示小信号的能力，该能力用噪声失真比（SINAD）表示，其值越大代表信号的噪声干扰越小，有效位数（ENOB）与噪声失真比（SINAD）之间的关系为：

SINAD（噪声失真比，单位：dB）=6.02* ENOB（有效位数）+1.76 根据该数学关系式可知，SINAD（噪声失真比）大约每增加6 dB，ENOB（有效位数）就能增加1bit。所以提高信噪比，就能提高所谓的系统等效分辨率。

但是只要ADC位数不变，无论怎样提高所谓的分辨率归根结底都是对ADC采样后的数据进行数字信号处理，最终只能是在“软件”上提高了分辨率，并不能达到硬件上实现的性能，因为软件算法提高分辨率会产生副作用，影响采样率等关键指标，波形显示可能会发生失真现象等等。

1.3 改善等效分辨率

示波器都是如何通过改变算法来实现提高分辨率的呢？

1.3.1 几个基本概念

我们将ADC转换成的离散数字信号称为采样点，相邻采样点之间的时间称为采样时间

间隔，几个采样点可以组成一个波形点，波形点储存在捕获存储区内，波形点共同组成一条波形记录，重构显示波形。相邻波形点之间的时间称为波形间隔。

图1.2 采样点与波形点

采样时间间隔与波形间隔可以一致，也可以不一致，由此产生出不同的捕获方式。目前大部分的示波器对ADC采样后提高所谓的分辨率最常用的方法就是采用“平均”的做法，一般具体是通过形成平均和高分辨率的捕获方式实现的。

1.3.2 平均算法

在平均捕获方式中，可先设置一个平均次数N，之后示波器会对采集的N段波形，将它们按照触发位置对齐，对N段波形进行平均运算，最终得到一段平均后的波形。在ZDS2022示波器中平均数可设置的范围是2~65536，系统默认设为64次。

图1.3 平均算法示意图

由图可知，它降低随机噪声的同时并没有损失带宽，进而噪声失真比就会变大，故示波器系统的分辨率就会提高，但是平均模式会经过较长的时间来响应变化的波形，以牺牲示波器的速度来换取较高的分辨率。

●由于其处理方式的特殊性，决定了它适用的波形信号只能是周期信号；

●设置的平均次数越多，分辨率越高，显示的波形越平滑，减小随机噪声，有利于对

信号进行滤波测量；

●由于一些噪声干扰，使得采集的N段波形的触发位置存在偏差，最终平均的波形

可能会产生失真现象。

图1.4 触发位置有偏差示意图

1.3.3 高分辨率算法

高分辨率捕获方式是对一段波形中的每N个点求平均，把原来的N个采样点替换成一个平均点来显示，可以有效改善系统的等效分辨率。其本质上就是一种数字滤波。用于求平均的采样点数N越大，分辨率提高得越多，从而显示的波形更平滑！

图1.5 高分辨率算法示意图

●该处理方法无周期信号限制，可以应用于非周期信号；

●当N越大时，等效分辨率改善越多，但会影响采样率，降低带宽，不能准确测量

高频信号，同时对示波器的测量统计功能造成影响；

●高分辨率与平均捕获模式相比，不需要多次采集，只需一次采集就可实现，实现速

度较快，非常适合对低频微小信号进行优化测量。

2. 小结

当采用平均的方式来改善分辨率时，会消除波形中的随机噪声，使显示的波形更平滑，对于一些高压信号中的小电压细节时或是对开关电源作特性分析时，高的分辨率对捕获波形是非常有利的，能准确了解被测信号的整体特征。但是通过平均得到的高分辨率会造成较低的采样率，影响波形的带宽，不利于一些波形的参数测量。

ZDS2022示波器的ADC用的是很常用的8位，其软件算法已将系统整体分辨率提升到12位，这是很容易实现的，实际上同样是可以等效为16位的，甚至更高位数，在示波器使用过程中，应注意对通过平均和高分辨率模式的算法改善的分辨率正确地运用。

例如，在功率器件（例如MOSFET）的饱和压降的测试中，需要从400V的电压中捕获出100mV的小电压，这种情况下，高分辨率非常有必要，另外，在医疗应用中，很多信号如心电图信号或者脑电图信号，都非常接近噪声，同样需要高分辨率。电源测试（小电压电源纹波、开关管等）、高精度传感器、高能物理、射频小信号测量、生物电信号测量、水下声纳信号测量等这些需要检测微小信号的应用中，高分辨率都是非常必要的。