HRO系列之三——高分辨率示波器WaveRunner HRO 6Zi

實(shí)時(shí)示波器由于采樣率高，ADC位數(shù)很難提高。在需要高分辨率測(cè)量的場(chǎng)合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿足高分辨率的測(cè)試需求，美國(guó)力科公司研發(fā)了新型實(shí)時(shí)示波器WaveRunner HRO 6Zi，簡(jiǎn)稱HRO (High Resolution Oscilloscope)。其ADC位數(shù)到達(dá)12bit，同時(shí)具備較高的采樣率 - 2GS/s。存儲(chǔ)深度（記錄長(zhǎng)度）可以到達(dá)每通道256M采樣點(diǎn)。HRO示波器高分辨率、高采樣率和長(zhǎng)存儲(chǔ)特性使其在多數(shù)測(cè)試場(chǎng)合中都能替代數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然，它也具備示波器擅長(zhǎng)的測(cè)量、分析和調(diào)試功能，易用性更好。

ADC位數(shù)對(duì)垂直分辨率有多大影響？我們來(lái)看下圖，這是用8bit示波器和12bit示波器分別對(duì)同一個(gè)信號(hào)采集后，對(duì)其中部分波形放大顯示的結(jié)果。

可以看出8bit示波器采集的波形出現(xiàn)臺(tái)階狀現(xiàn)象，這是因?yàn)樾盘?hào)的微小變化和ADC量化誤差相當(dāng)，信號(hào)的微小變化淹沒(méi)在了量化噪聲中?？赡芎芏喙こ處熓褂檬静ㄆ鲿r(shí)并沒(méi)有注意到這個(gè)現(xiàn)象。好比兩臺(tái)尺寸相同、分辨率不一樣的電視機(jī)，站在5米外觀看可能看不出差別，靠近了觀察就能發(fā)現(xiàn)低分辨率電視機(jī)的像素點(diǎn)更粗、馬賽克現(xiàn)象更明顯。那么把示波器捕獲的信號(hào)放大、觀察細(xì)節(jié)，也就有類似的效果。

垂直分辨率還和示波器本身的噪聲和失真水平有關(guān)。打個(gè)比方，一臺(tái)高分辨率的電視機(jī)，如果它內(nèi)部電路噪聲很大，導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)很多雪花點(diǎn)。即便是高清片源也會(huì)被這些雪花點(diǎn)給模糊了。同樣道理，示波器ADC能夠分辨的最小電壓也可能淹沒(méi)在示波器的噪聲中。如何評(píng)估示波器的噪聲水平呢？有的示波器廠家喜歡用基底噪聲（noise floor）：示波器不輸入信號(hào)，測(cè)量基線的噪聲大小。這種指標(biāo)只能作為參考。因?yàn)闆](méi)有人使用示波器時(shí)不輸入信號(hào)。有無(wú)輸入信號(hào)，示波器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)可能差別很大。下面兩圖是某示波器沒(méi)有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比的5GHz正弦波的對(duì)比圖，并分別對(duì)時(shí)域波形做FFT，觀察頻域。在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，頻域噪底比較平坦，而輸入正弦波后，除了信號(hào)基頻和諧波分量以外，出現(xiàn)不少雜散，而且噪底的形狀也不再平坦。因此基線噪聲不是評(píng)估示波器噪聲水平的合理指標(biāo)。

更科學(xué)的指標(biāo)是信號(hào)與噪聲失真比（Signal to Noise and Distortion Ratio ，SINAD），以及有效位數(shù)（Effective Number Of Bits，ENOB）。SINAD的測(cè)量需要輸入一定頻率一定幅度的高信噪比正弦波給示波器，計(jì)算信號(hào)功率和噪聲失真功率之比。ENOB在數(shù)學(xué)上可以通過(guò)SINAD計(jì)算得到。SINAD、ENOB與輸入信號(hào)頻率、幅度的大小以及示波器的工作狀態(tài)都有關(guān)，更詳細(xì)的說(shuō)明請(qǐng)參考：
http://cdn.lecroy.com/files/appnotes/computation_of_effective_no_bits.pdf