提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計(jì)者的目標(biāo)，因?yàn)楣こ處熜枰獪y(cè)量更精細(xì)的信號(hào)細(xì)節(jié)。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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的位數(shù)就能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)更高的 垂直分辨率來查看信號(hào)的細(xì)節(jié)。

本文重點(diǎn)介紹泰克 4、5 和 6 系列 MSO 設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)更高分辨率采集細(xì)節(jié)所采用的技術(shù)，另外還介紹了有效位數(shù)（ENOB）指標(biāo)，以及這一重要性能指標(biāo)的作用和局限性。

需要更高的垂直分辨率

在數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)采樣時(shí)，ADC 會(huì)把信號(hào)分成多個(gè)垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)（有時(shí)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換電平或量化電平或最低有 效位（LSB））。每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示一個(gè)離散的垂直電壓等級(jí)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)越多，分辨率越高。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí) 在 ADC 中表示為 2N ，其中 N 表示位數(shù)。一般正弦波（圖 2a）視垂直分辨率會(huì)表現(xiàn)出很大的差異。圖 2b 是使用 2 位 ADC 轉(zhuǎn)換后的正弦波，22=4 個(gè)模數(shù) 轉(zhuǎn)換電平。數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在 4 個(gè)不同的垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)中：00、01、10 或 11。4 位 ADC 有 16 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)， 作為 4 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（圖 2c）。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)越多，分辨率越高，數(shù)字示波器表示的信號(hào)越接近原始模擬信號(hào)。

圖 2a：模擬信號(hào)

圖 2b：2 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖 2c：4 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

更高的垂直分辨率提供了兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：

清楚地查看信號(hào)，并能夠放大信號(hào)，查看信號(hào)的細(xì)節(jié)。

可以更精確地測(cè)量電壓，這在電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證中尤其關(guān)鍵。

傳統(tǒng)數(shù)字示波器一直基于 8 位 ADC 技術(shù)，大部分工程師在設(shè)計(jì)工作中通過提高采樣率，從而改善水平分辨率。隨 著時(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(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)，對(duì)于需要更高垂直分辨率的應(yīng)用來說，比如電源設(shè)計(jì)，這種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級(jí)可能太粗糙了。

圖 3：把多條示波器通道手動(dòng)“縫合”在一起，重建信號(hào)

在 8 位 ADC 中，查看更多電壓細(xì)節(jié)的一種常用方法是過量程測(cè)試 + 多條通道。在這種方法中，多條通道連接到 同一個(gè)信號(hào)，設(shè)置電壓標(biāo)度時(shí)會(huì)故意超示波器輸入量程。它會(huì)調(diào)節(jié)每條通道的垂直位置，查看信號(hào)的不同部分。 然后用戶把信號(hào)“縫合”回去，從而提高垂直分辨率。如圖 3 所示，這種方法會(huì)導(dǎo)致失真，因?yàn)?8 位示波器的輸入 放大器可能要費(fèi)力地從過量程飽和中恢復(fù)過來。儀器以這種方式運(yùn)行時(shí)，測(cè)試結(jié)果一般沒法保證。

全新示波器 ASIC 實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率

圖 4a：全新泰克 12 位 ASIC (TEK049)

圖 4b：全新泰克模擬放大器 ASIC （TEK061）

圖 4c：全新泰克模擬前端 ASIC （TEK026D）

由于示波器采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)的垂直分辨率較以前的 8 位 ADC 采集系統(tǒng)大大提高。這主要通過在示波 器中實(shí)現(xiàn)認(rèn)真規(guī)劃的 ASIC 設(shè)計(jì)來完成。在本白皮書中，我們將說明怎樣通過 ASCI 來大幅度改善分辨率：

清性能更高的 ADC（12 位）

高清顯示處理技術(shù)

改良后的低噪聲、高增益模擬前端

硬件濾波器，消除固有噪聲

實(shí)現(xiàn)高分辨率觸發(fā)

性能更高的 ADC（12 位）

例如，在泰克 4、5 和 6 系列 MSO 示波器中，有一系列全新 ASIC 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。第一個(gè)是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

由于全新 ASIC (TEK049) 提供了四個(gè) 12 位逐次接近 ADCs（圖 4a），TEK049 ADC 的運(yùn)行速率達(dá)到了 25GS/s， 每臺(tái) 4、5 或 6 系列 MSO 可以有一個(gè)或兩個(gè) ASIC，具體視通道數(shù)量而定。

由于 TEK049 ASIC 內(nèi)置的是 12 位 ADC，它們 提 供了 4,096 個(gè) 垂直模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 等 級(jí)，垂直 分 辨 率 較以前的 8 位 ADC 高出了 16 倍。在 4 和 5 系列 MSO 中，它們以 3.125 GS/s 提供完成的 12 位樣點(diǎn)。在 6.25 GS/s 時(shí)，數(shù)據(jù)通 過 12 位 ADC 采集，但存儲(chǔ)在 8 位存儲(chǔ)內(nèi)存中，以適應(yīng) ASIC 和內(nèi)存之間的最大傳送速率。在 6 系列 MSO 中，它 們以 12.5 GS/s 提供完成的 12 位樣點(diǎn)。在 25 GS/s 時(shí)，數(shù)據(jù)通過 12 位 ADC 采集，但存儲(chǔ)在 8 位存儲(chǔ)內(nèi)存中，以 適應(yīng) ASIC 和內(nèi)存之間的最大傳送速率。

高清顯示處理技術(shù)，增強(qiáng)波形查看功能

TEK049 ASIC 還采用顯示處理硬件，因此 4、5 和 6 系列 MSO 能夠支持實(shí)時(shí)更新速率的大型高清顯示器。由于 1920×1080 像素，示波器可以利用更高的 ADC 分辨率，便于查看對(duì)工程師來說至關(guān)重要的信號(hào)細(xì)節(jié)。在其他示 波器中，顯示系統(tǒng)把 ADC 代碼壓縮到提供的垂直像素中，用戶看不到 ADC 實(shí)際捕獲的重要細(xì)節(jié)。TEK049 還實(shí) 現(xiàn)了超快速更新速率，支持 16 位色彩深度。這種快速更新速率及灰度等級(jí)允許用戶檢出波形的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)需要 精細(xì)信號(hào)細(xì)節(jié)的人員，進(jìn)一步加強(qiáng)了其查看波形的能力。把多種功能融合到一個(gè) ASIC 中，降低了系統(tǒng)噪聲，因?yàn)?處理信號(hào)時(shí)不必通過 PCB 傳輸信號(hào)。圖 5 是上一代示波器芯片組，其功能與全新 TEK049 的功能相同。

圖 5：TEK049 ASIC 把上一代儀器中多塊芯片執(zhí)行的功能融合在一起

在高帶寬、低 V/Div 設(shè)置下降低噪聲，提高增益

全新 ASIC 還發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使得示波器能夠支持示波器顯示器上的各種滿刻度。在 4、5 和 6 系列 MSO 中， 前端的放大器和衰減器系統(tǒng)調(diào)節(jié)增益，一直利用 ADC 滿刻度優(yōu)勢(shì)。放大器噪聲必需非常低，以便利用高分辨率 ADC 的優(yōu)勢(shì)，并能夠在高帶寬和低 V/Div 設(shè)置下使用示波器。6 系列 MSO 中的全新 TEK061 ASIC（圖 4b）在高 帶寬和小垂直標(biāo)度下提供了行業(yè)領(lǐng)先的性能。全新 TEK026D（圖 4c）ASIC 適用于 4、5 和 6 系列，保證超低噪聲， 甚至可以精確探測(cè) 1 GHz，而不會(huì)從探頭放大器中增加噪聲。圖 6 是該系統(tǒng)的總體框圖。

圖 6：4、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

多年來，泰克一直提供減噪技術(shù)和垂直分辨率增強(qiáng)功能，在配備 8 位 ADC 的儀器上實(shí)現(xiàn) 8 位以上的垂直分辨率。 ““多種工具把示波器分辨率提升到 11 位以上”應(yīng)用指南中更詳細(xì)地介紹了這些功能。在本文中，我們重點(diǎn)介紹 單次采集可以使用的技術(shù)，而不是波形平均或等效時(shí)間采樣。

一般來說，示波器 ADCs 一直以最大采樣率運(yùn)行，而不管采用什么設(shè)置。然后用戶可以設(shè)置較低的采樣率，并壓縮（舍 棄）樣點(diǎn)去存儲(chǔ)想要的記錄長(zhǎng)度 / 采樣率的組合。這種模式稱為“采樣模式”，也就是扔掉多余的樣點(diǎn)。泰克一直 采用稱為高分辨率或“HiRes”模式的方法，來更有效地利用“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)過程通常稱為“信號(hào)組平均”。每個(gè)樣點(diǎn)由更多的信息組成，提供了更好的準(zhǔn)確度，有效地提高了垂直分辨率。 圖 7 比較了采樣模式與 HiRes（信號(hào)組平均）模式。這種技術(shù)目前仍在廣泛應(yīng)用。

圖 7：采樣模式與 HiRes（信號(hào)串平均）模式比較。

通過使用信號(hào)組平均技術(shù)，垂直分辨率的位數(shù)可以提高：

0.5 logD

其中：D 是壓縮率，或最大采樣率與實(shí)際采樣率之比。,

可以預(yù)測(cè)，改善垂直分辨率的能力受到系統(tǒng)固有噪聲的限制。例如，如果 ADC 在通過高本底噪聲的放大器 / 衰 減器之后采集樣點(diǎn)，那么這些點(diǎn)的準(zhǔn)確度會(huì)下降，抵消信號(hào)組平均或傳統(tǒng)“HiRes”模式實(shí)現(xiàn)的分辨率增強(qiáng)。需要 指出的是，在模擬信號(hào)調(diào)節(jié)和 ADC 采樣相結(jié)合來優(yōu)化實(shí)時(shí)信號(hào)特點(diǎn)時(shí)，高分辨率模式才會(huì)實(shí)現(xiàn)最好的效果。

4、5 和 6 系列 MSO 在信號(hào)組平均或“HiRes”方法基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步改進(jìn)。在傳統(tǒng)方法中，高頻噪聲受到帶寬相 對(duì)較高的防失真濾波器限制。

全新高分辨率模式（也叫 High Res）利用 TEK ASIC 中的硬件，不僅執(zhí)行平均功能，還針對(duì)每種采樣率實(shí)現(xiàn)了 防失真濾波器和一套獨(dú)特設(shè)計(jì)的有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器，確保用戶以最高分辨率表示被測(cè)的原始信號(hào)。

FIR 濾波器對(duì)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 8：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(diào)節(jié)，具體視示波器設(shè) 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(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

在 4、5 和 6 系列 MSO 上，每個(gè)濾波器的低通響應(yīng)是為全面平衡噪聲抑制和瞬態(tài)階躍響應(yīng)而設(shè)計(jì)的。磚墻濾波器 可以實(shí)現(xiàn)最大的噪聲抑制效果，但不能提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。吉布斯現(xiàn)象描述了一種效應(yīng)，大的頻響不連續(xù)點(diǎn)（如磚墻濾波器）會(huì)在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中導(dǎo)致振鈴和過沖 / 下沖， 如圖 9 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(yīng)。如果沒有認(rèn)真均衡，那么示波器可能 會(huì)導(dǎo)致差的噪底指標(biāo)，但在波形顯示中卻不能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)信號(hào)。

圖 9：High Res 模式下矩形信號(hào)的階躍響應(yīng)

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 125 MS/s 或以下采樣率時(shí)提供 了高達(dá) 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(hào)外，用戶必須能夠放心地捕獲事件。因此，示波器的觸發(fā)系統(tǒng)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(zhí)行 DSP 濾波，使用硬件模塊而不是觸發(fā)系統(tǒng)， 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(tǒng) HiRes（信號(hào)組平均）方法針對(duì)的是存儲(chǔ)的樣點(diǎn)，而 不是觸發(fā)信號(hào)，因此高頻瞬態(tài)信號(hào)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 500,000 個(gè)波形，可以與 High Res 結(jié)合使用，更好地查看識(shí)別對(duì)性能至關(guān) 重要的信號(hào)細(xì)節(jié)，如電源設(shè)計(jì)驗(yàn)證。圖 10 左側(cè)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(cè) 顯示了打開 High Res 時(shí)的 FastAcq 信號(hào)。右側(cè)正在觸發(fā)濾波后的上升沿。

圖 10：FastAcq 獨(dú)立于觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用信號(hào)組平均功能，出現(xiàn)假觸發(fā)（左）。FastAcq 采用新的 High Res 方法，濾波觸發(fā)（右）。

分辨率離開準(zhǔn)確度是沒有意義的

如果儀器的前端有噪聲或容易發(fā)生失真，或者如果其采樣率發(fā)生時(shí)間間隔誤差，那么分辨率再高也是沒有意義的。 為了量化有意義的分辨率，除考慮 ADC 中的位數(shù)外，還必須考慮失真和抖動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，電子行業(yè)發(fā)明了“有 效位數(shù)”（ENOB）的概念，來考察由于噪聲、失真、插補(bǔ)錯(cuò)誤和采樣抖動(dòng)導(dǎo)致的誤差。

什么是有效位數(shù)（ENOB）？

ENOB 表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器或示波器提供的等效實(shí)用位數(shù)，其中考慮了儀器噪聲、諧波失真、線性度和采樣抖動(dòng)。它 輸入質(zhì)量非常高的信號(hào)，然后把模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出與該輸入進(jìn)行對(duì)比，來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。泰克采用 IEEE 模數(shù)轉(zhuǎn)換 波形記錄儀標(biāo)準(zhǔn)（IEEE std. 1057）規(guī)定的方法。由于上述噪聲和失真，所以 ENOB 一直低于 ADC 中的位數(shù)。一 般來說，優(yōu)質(zhì) 8 位 ADC 示波器的 ENOB 在 4 位和 6 位之間，具體取決于選擇的帶寬和垂直標(biāo)度。擁有 10 位或 12 位 ADCs 的高分辨率示波器的 ENOB 一般在 7 位和 9 位之間。由于 ENOB 考慮的不只是理論 ADC 分辨率， 所以它是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)際分辨率的更好的指標(biāo)。

盡管 ENOB 是確定模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)準(zhǔn)確度的一個(gè)重要因素，但它并不是比較測(cè)量質(zhì)量的萬能指標(biāo)。它不包括 DC 偏置、增益、相位和頻率誤差。必須單獨(dú)考慮這些誤差，例如，如果進(jìn)行的測(cè)量影響頻率性能的準(zhǔn)確度，那么更好 的指標(biāo)可能是誤差矢量幅度（EVM）。ENOB 可能會(huì)隱藏示波器上頻響或平坦度差的問題。

為實(shí)現(xiàn)更高的 ENOB，4、5 和 6 系列 MSO 示波器采用了本白皮書前面重點(diǎn)介紹的增強(qiáng)功能：

性能更高的 ADC（12 位）

性高清顯示處理技術(shù)

改良后的低噪聲、高增益模擬前端

硬件濾波器，消除固有噪聲

實(shí)現(xiàn)高分辨率觸發(fā)

為實(shí)現(xiàn)更高的 ENOB，圖 11 對(duì)比了來自 1.5 V DDR3 電源的測(cè)量截圖。左側(cè)是 6 位 ENOB 的傳統(tǒng) 8 位示波器捕 獲的 DDR3 電源測(cè)量截圖。電源似乎有明顯的噪聲和部分顯著的周期性電壓尖峰。右側(cè)顯示的是同一電源的測(cè)量 截圖，但是使用噪聲更低、7 位以上更好 ENOB 的高分辨率示波器捕獲的。注意與前面的示波器測(cè)量相比，基準(zhǔn) 噪聲大大降低。顯著的周期性尖端在幅度上的一致性也大大提高。使用 ENOB 更高的示波器，有助于更快、更簡(jiǎn) 便地識(shí)別問題。在本例中，來自 1.5 V 降壓調(diào)節(jié)器的 1 MHz 開關(guān)噪聲是問題根源。

圖 11：8 位示波器（左）和 12 位示波器（右）DDR3 電源比較。

總結(jié)

示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號(hào)細(xì)節(jié)。但是，提供這種分辨率并不能只靠增加 ADC 的位數(shù)。4、 5 和 6 系列 MSO 采用多角度方法，不僅實(shí)現(xiàn)了更高的 ADC 分辨率，還采用數(shù)字信號(hào)處理、觸發(fā)系統(tǒng)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。

4、5 和 6 系列 MSO 性能與上一代儀器比較