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12-bit還有“山寨版”?如何挑選高分辨率示波器?

引言


自從 20 世紀(jì) 80 年代中期第一代數(shù)字存儲(chǔ)示波器問(wèn)世以來(lái),8-bit的垂直分辨率就成為了示波器的標(biāo)準(zhǔn)配置。對(duì)此許多人抱怨過(guò),為什么垂直分辨率不能更高一些?這主要是受限于當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)水平。


再往后,越來(lái)越多的廠商宣稱自家的示波器分辨率可達(dá)12-bit,與此同時(shí),一些如“高清”、“高精度”、“高分辨”等詞匯也開(kāi)始頻繁用于宣傳推廣,用來(lái)表示比傳統(tǒng)的8-bit示波器的性能要有所提升。


近年來(lái),各大廠商也紛紛開(kāi)始重點(diǎn)推廣高分辨率示波器,這主要是為了迎合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì),比如電源行業(yè),開(kāi)關(guān)頻率從幾十KHz,到幾百KHz,到現(xiàn)在甚至高達(dá)幾MHz,這對(duì)示波器的帶寬、采樣率、分辨率都提出了更高的要求。


有這么多的品牌,這么多的型號(hào)可供選擇,用戶們?cè)撊绾翁暨x呢?這篇文章就來(lái)討論一下挑選高分辨率示波器的6大要素。


1、分辨率


開(kāi)啟高分辨率模式前


開(kāi)啟高分辨率模式后(增強(qiáng)位數(shù)4.0)


提到“分辨率”,有人會(huì)說(shuō):“選12-bit不就行了?”


實(shí)際上,我們要謹(jǐn)防買到“山寨版”的12-bit。


大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)一個(gè)詞,叫做“高分辨率模式”,其原理是使用低通濾波器濾除ADC 數(shù)據(jù)中的量化噪聲和熱噪聲,提高信號(hào)的信噪比,從而實(shí)現(xiàn)高分辨率,其本質(zhì)是犧牲帶寬來(lái)提升分辨率,因此這并不適合測(cè)試高頻信號(hào)。


一般來(lái)說(shuō)8-bit、10-bit的示波器在高分辨率模式下可達(dá)12-bit,而12-bit的示波器在高分辨率模式下可達(dá)15/16-bit,所以大家在挑選的時(shí)候需要仔細(xì)瀏覽數(shù)據(jù)手冊(cè)。



2、有效位數(shù)ENOB


雖然同為12-bit示波器,但是由于使用的硬件以及軟件處理技術(shù)不同,各高分辨率示波器之間的水平還是存在參差的,而有效位數(shù)則是一個(gè)重要的比較項(xiàng)。


示波器的全部噪聲源和誤差源會(huì)降低有效位數(shù),包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲、熱噪聲、散粒噪聲以及放大器失真等,所以有效位數(shù)這個(gè)指標(biāo)通常要明顯低于其垂直分辨率。


以下這張圖片其實(shí)是一個(gè)12-bit示波器的ENOB測(cè)試結(jié)果圖,可以看到大概在8.2-bit左右。一般來(lái)講,一個(gè)12-bit高分辨率的數(shù)字示波器的有效位數(shù)大概在7至9位。




某些廠商可能會(huì)宣傳其12位高分辨率數(shù)字示波器的有效位數(shù)高達(dá)9以上,這也是可能存在的,但這多是由于在測(cè)試有效位數(shù)的過(guò)程中打開(kāi)了20MHz的帶寬限制。


3、本底噪聲



本底噪聲, 主要來(lái)自于衰減器和前置放大器部分,這是任何電路和部件本身無(wú)法完全消除的。


示波器在放大信號(hào)時(shí),會(huì)把前端衰減器的本底噪聲一起進(jìn)行放大,并且ADC在采樣時(shí)也無(wú)法區(qū)分,也就是本底噪聲會(huì)被當(dāng)成為信號(hào)的一部分被我們?nèi)ミM(jìn)行測(cè)量與分析。


而高分辨率示波器常被用來(lái)測(cè)試如腦電波、電源軌噪聲等微小信號(hào),若噪聲過(guò)大會(huì)淹沒(méi)實(shí)際測(cè)試信號(hào),因此為了確保精確的信號(hào)測(cè)量結(jié)果,示波器必須具有很低的本底噪聲。


舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,對(duì)數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)眼圖進(jìn)行裕量測(cè)試時(shí),眼高是必測(cè)參數(shù)之一,定義如下:



A為示波器眼圖波形頂部的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差或均方根值,B為眼圖波形底部的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差或均方根值,噪聲的大小將影響眼高的大小,進(jìn)而影響裕量測(cè)試的結(jié)果。


如果想自測(cè)本底噪聲也比較簡(jiǎn)單,通道不接任何信號(hào),調(diào)節(jié)垂直檔位與水平時(shí)基(各大廠商對(duì)這兩個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)可能不太一樣),調(diào)整完成后打開(kāi)測(cè)量參數(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)差即可。


4、直流增益精度



直流增益精度以及直流偏移精度,這兩個(gè)值都是用來(lái)描述示波器垂直方向上幅值測(cè)量值與理想情況的誤差范圍,因此會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。


鼎陽(yáng)的12-bit高分辨率示波器基本都是這個(gè)指標(biāo),增益精度在垂直檔位小于4.95mV時(shí)為1.5%,大于5mV時(shí)為0.5%,也就是當(dāng)垂直檔位為1mv/div時(shí),測(cè)量誤差最大為0.012mV,垂直檔位為1V/div時(shí),測(cè)量誤差最大僅0.004V, 基本可以忽略不計(jì)。


5、直流偏移精度



偏移精度的計(jì)算公式如圖,影響值有垂直檔位大小與直流偏置的設(shè)定值,各家的計(jì)算方式可能不大相同,但是基本上大同小異。


鼎陽(yáng)的示波器影響偏移精度大小的因素有垂直檔位大小及直流偏置的設(shè)定值。


6、通道隔離度



通道隔離度,指任意兩通道間信號(hào)相互影響程度的程度。目前市面上大多數(shù)的臺(tái)式示波器都是通道不隔離的,也就是共地的,因此通道與通道之間必然就會(huì)存在串?dāng)_。


通道隔離度在不同頻點(diǎn)上大小不一樣,數(shù)據(jù)手冊(cè)上一般標(biāo)的都是最差值。在測(cè)量通道隔離度時(shí)需要用到一個(gè)公式:


D=UIS/UIR


其中D表示隔離度實(shí)測(cè)值,UIS表示干擾通道信號(hào)幅度有效值,UIR表示被干擾通道信號(hào)幅度有效值。


在實(shí)際測(cè)量通道隔離度的時(shí)候,分為干擾通道與被干擾通道,干擾通道輸入信號(hào),而被干擾通道不接任何信號(hào),通道隔離度越大,意味著通道之間串?dāng)_越小,測(cè)試結(jié)果也就越精準(zhǔn)。


這里還想介紹一個(gè)功能,為了增加測(cè)量準(zhǔn)確度,許多廠家都推出了一個(gè)功能,名字叫做ZOOM,可以解釋為波形放大。




當(dāng)即使調(diào)小水平時(shí)基或垂直檔位后,波形仍然比較密集時(shí),此時(shí)可以使用ZOOM功能繼續(xù)放大波形觀察細(xì)節(jié),而且這時(shí)候再測(cè)得的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。


不過(guò)雖然各大廠商都將這個(gè)功能取作ZOOM,但部分示波器僅能縮放水平方向,部分示波器則能縮放水平與垂直方向,比如鼎陽(yáng)的示波器。


如何在數(shù)據(jù)手冊(cè)尋找以上6要素


最后的最后,夾帶一點(diǎn)私貨,來(lái)找找鼎陽(yáng)的這些要素在數(shù)據(jù)手冊(cè)的哪里。


先來(lái)到官網(wǎng),選擇示波器型號(hào),選擇SDS3000X HD,點(diǎn)擊手冊(cè)下載,滑動(dòng)來(lái)到參數(shù)規(guī)格部分。


可以看到增強(qiáng)分辨率顯示最多可以增強(qiáng)4-bit,垂直分辨率為12-bit,也就是最多可以到達(dá)16-bit,有效位數(shù)ENOB為8.3~8.6-bit,本底噪聲在全帶寬下為125uV,也可以看到直流增益精度和偏移精度。



通道隔離度需要再往下滑,可以看到帶寬不同,隔離度大小也不同。



SIGLENT


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鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)


鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)(簡(jiǎn)稱鼎陽(yáng)硬件智庫(kù))由深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦,是中國(guó)第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。


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