通過算法改善示波器垂直分辨率

分組平均本質(zhì)上也是一種數(shù)字濾波。樣點抽取倍數(shù)越高，分辨率提升得越多。據(jù)某款示波器規(guī)格，當(dāng)抽取倍數(shù)為16 時，可由8bit 提升到12bit。

同樣，分組平均提升分辨率的代價是性能受損和波形失真：

1）高采樣率和高垂直分辨率不可兼得。比如在8bit、40GSa/s 的示波器上要實現(xiàn)12bit 分辨率，處理后的采樣率只能到2.5GSa/s 。要使處理后的采樣率達(dá)到5GSa/s，分辨率只能提升到11bit。

2 ）示波器帶寬和垂直分辨率也不可兼得。在上一條例子中，要實現(xiàn) 12bit 分辨率，帶寬從4GHz 下降到500MHz。

3 ）工作在HiRes 模式下的示波器，使用者不能直接選擇增強(qiáng)多少bit 分辨率，它隨示波器的時間刻度動態(tài)變化。使用者不知道當(dāng)前增強(qiáng)了多少分辨率、帶寬下降到多少。

4 ）分組平均算法對抑制高斯白噪聲有效果，而對于示波器ADC 的INL （積分非線性）引起的噪聲沒有抑制作用。

5 ）信號比較陡峭的邊沿在HiRES 模式下，容易欠采樣。例如信號邊沿原本有16 個采樣點，為了提高4bit分辨率，需要每 16 個點取平均。結(jié)果邊沿只剩下 1 個樣點。不少示波器以sin(x)/x 方式做內(nèi)插，在欠采樣的情況下會導(dǎo)致吉布斯現(xiàn)象，使本來正常的邊沿出現(xiàn)過沖、振鈴：

6 ）分組平均也會顯著降低示波器波形更新率。

7 ）分組平均可以有條件地提升分辨率，卻不能改善示波器的準(zhǔn)確度。例如具有硬件12bit ADC 示波器的直流增益精度可以達(dá)到±0.5% 。采用過采樣和線性降噪技術(shù)提升到12bit 分辨率的示波器，直流增益精度仍然是8bi ADC 示波器的水平：±2%

下圖是三種測試場景，被測信號都是正弦波峰值附近存在一個微小變化。對波形做局部放大后的效果：

三、結(jié)論

無論什么形式的算法，在付出一定代價后，只是在數(shù)學(xué)意義上提升了垂直分辨率，測量微小信號的能力是有限的。當(dāng)工程師身邊只有8bit ADC 示波器的時候，可以通過這些方法來改善一下信噪比。當(dāng)真正需要高分辨率、高準(zhǔn)確度測試的場合，無疑還是需要具有真實硬件12bit ADC 的示波器。在12bit ADC示波器上也可以開啟這類算法。軟硬兼施，效果更好。