测量微小变化信号：示波器也需要高分辨率
导言：对于数字示波器，工程师极少谈及它的分辨率，谈得更多的是带宽、采样率等指标。其实，示波器也有分辨率，更准确地说是垂直分辨率，也就是模数转化器（ADC）的量化位数。ADC位数不仅对垂直分辨率有大的影响，而且还和示波器本身的噪声和失真水平有关。
谈及分辨率，人们最容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标，一般用水平和垂直方向的像素点个数，或者DPI（Dots Per Inch）来表示。显然高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器，工程师极少谈及它的分辨率，谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率，更准确地说是垂直分辨率，也就是模数转化器（ADC）的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8bit，故而极少提及垂直分辨率.
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。
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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
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。
