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RIGOL技术站:一文读懂示波器的垂直分辨率


  来源: 普源精电 RIGOL 时间:2021-01-26 编辑:清风
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1、什么是垂直分辨率?


数字示波器的垂直分辨率是衡量示波器将电压转换为数字量的精细程度的重要指标,主要由所用ADC(模数转换器)的分辨率决定。ADC按照固定的电压间隔对模拟信号进行量化,从而将模拟信号转换为数字量,ADC对模拟信号分段的数量即为分辨率,通常用bit作为分辨率单位,当垂直分辨率为n bit时,那么垂直方向上信号可以被切分为2n段,即可以分辨的最小电压为



2、原理描述


以目前市场上最常见的8bit分辨率的示波器为例,使用8位的ADC,信号在垂直方向上被切分成28份即256份。在模拟信号转换成数字信号的过程中,最多可将模拟信号进行量化为256个等级,两个量化电平之间的信号,按就近原则取近似,近似的过程必然引入误差,这个误差称之为量化误差。



量化误差会影响示波器的测量结果,测量中我们发现同一个示波器在不同FullScale下测量同一信号,得到的测量结果会有微小的不同。


以8bit分辨率的示波器为例,分别在FullScale分别设置为5V和20V时,测量一个1V的方波信号的幅值,这相当于示波器显示屏幕在垂直方向上被等分成256份。


当Full Scale为5V时,示波器能测试出的最小量化电压为

此时示波器不能分辨小于19.531mV的电压信号,如果输入信号叠加了小于19.531mV的噪声信号,示波器无法准确显示出来。


当Full Scale为20V时,示波器能测试出的最小量化电压为

同样此时示波器无法准确测量出小于78.125mV的电压信号。


根据分辨率的计算公式,在测量相同信号的情况下,示波器的垂直分辨率的位数越高,量化误差越小,测量结果越准确,这就像刻度更小的尺子可以测得更精确的结果。


3、垂直分辨率的决定因素


影响垂直分辨率有两大因素,一个是前文提到的ADC的量化误差,另一个是示波器放大器和ADC等电路的热噪声。虽然我们通常使用ADC位数来简单描述示波器的垂直分辨率,但更准确的是将示波器作为整个系统来判断其有效分辨率位数(ENOB)。


ENOB与整个系统的信号和噪声比(SNR)密切相关,两者的数学关系为:

其中:1.76dB为理想ADC的量化噪声,6.02为log2转化为log10的系数比。根据公式,提高示波器系统的SNR可以提高示波器的ENOB。


降低示波器的系统噪声提高SNR,需要良好的系统架构和低噪声的前端放大电路。不过在示波器硬件一定的情况下,还可以通过ADC的数据进行数字信号处理来提高SNR,从而提高垂直分辨率。


目前提高分辨率常用的数字信号处理方法有以下两种。


波形平均采样模式


波形平均采样模式是示波器最基本降噪信号处理技术之一,‌‌指的是将多次普通采样的波形进行算术平均。‌要求测量的输入信号是周期可重复的,示波器每采集n 段重复波形,把它们按触发位置对齐,相加后除以n,得到一段平均后的波形,如下图示意



波形平均模式能够降低随机噪声,假设平均运算前随机噪声的标准偏差为σ,则随机噪声的功率N= σ,信号功率为S。则信噪比SNR 为

关键词:普源精电 RIGOL 示波器 垂直分辨率    浏览量:4886

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