示波器12bit“芯”趨勢,如何實現更高測量精度?
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本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202402/455330.htm提高垂直分辨率一直是示波器設計者的目標，因為工程師需要測量更精細的信號細節。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轉換器（ADC）的位數就能實現的。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，在實用中垂直分辨率性能也大大提升。這些顛覆式的產品擁有高清顯示器和快速波形更新速率，并且實現更高的垂直分辨率來查看信號的細節。
本文重點介紹泰克4、5和6系列MSO設計者實現更高分辨率采集細節所采用的技術，另外還介紹了有效位數（ENOB）指標，以及這一重要性能指標的作用和局限性。
先來看一個電源開關實測對比
在這個例子中，我們想要觀察一個相當大的開關信號上的周期性振蕩。開關電路在每個周期后會產生振蕩，我們的目標是檢查這些振蕩。但與開關信號的幅度相比，振蕩相對較小。圖1顯示了使用不同垂直分辨率示波器進行相同測試的結果。為了看到整個開關周期，垂直刻度必須設置為大約1V/分以將信號適應顯示的10個刻度。
圖1 使用8位MDO4000C（左側）和12位4系列MSO（右側）示波器放大顯示一個切換信號
測試結果：圖2和圖3顯示了兩臺示波器在相同條件下的測試結果：（采樣率為250MSa/s，采樣點數為10k，垂至刻度為1V）。兩臺儀器都使用了相同的IsoVu光學隔離電壓探頭，以消除其它探頭可能引入的噪聲?？梢钥吹?，8位示波器由于量化級數小而導致在高放大倍數下的結果出現了明顯的鋸齒狀，使得分析振蕩變得困難。
圖2 顯示了MDO4000C示波器的諧振現象（分辨率為8位）
然而，12位示波器在相似的放大倍數下依然可以清晰地顯示振蕩細節。
圖3 顯示了新的4系列MSO示波器的諧振現象（分辨率為12位）
新的4、5和6系列MSO示波器提供12位垂直分辨率，能夠看到更多信號細節并進行更準確的測量。
需要更高的垂直分辨率
在數字示波器對信號采樣時，ADC會把信號分成多個垂直二進制數據（有時稱為模數轉換電平或量化電平或最低有效位（LSB））。每個二進制數據表示一個離散的垂直電壓等級，二進制數據越多，分辨率越高。這些模數轉換等級在ADC中表示為2N，其中N表示位數。
一般正弦波（圖4a）視垂直分辨率會表現出很大的差異。圖4b是使用2位ADC轉換后的正弦波，22=4個模數轉換電平。數據可以存儲在4個不同的垂直二進制數據中：00、01、10或11。4位ADC有16個模數轉換等級，作為4位數據存儲（圖4c）。因此，模數轉換等級越多，分辨率越高，數字示波器表示的信號越接近原始模擬信號。
更高的垂直分辨率提供了兩個重要優勢：
● 清楚地查看信號，并能夠放大信號，查看信號的細節。
● 可以更精確地測量電壓，這在電源設計驗證中尤其關鍵。
傳統數字示波器一直基于8位ADC技術，大部分工程師在設計工作中通過提高采樣率，從而改善水平分辨率。隨著時間推移，8位ADC在采樣率、噪聲性能、低失真方面都得到了優化。但ADC本身只能提供28=256個垂直模數轉換等級，對于需要更高垂直分辨率的應用來說，比如電源設計，這種垂直模數轉換等級可能太粗糙了。
全新示波器ASIC實現更高垂直分辨率
由于示波器采集系統技術的發展，實現的垂直分辨率較以前的8位ADC采集系統大大提高。這主要通過在示波器中實現認真規劃的ASIC設計來完成。在文中，我們將說明怎樣通過ASIC來大幅度改善分辨率：
● 性能更高的ADC（12位）
● 高清顯示處理技術
● 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
● 實現高分辨率觸發
性能更高的ADC（12位）
由于全新ASIC（TEK049）提供了四個12位逐次接近 ADCs（圖5a），TEK049 ADC的運行速率達到了25GS/s，每臺4、5或6系列MSO可以有一個或兩個ASIC，具體視通道數量而定。
由于TEK049 ASIC內置的是12位ADC，它們提供了4,096個垂直模數轉換等級，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3.125GS/s提供完成的12位樣點。在6.25GS/s時，數據通過12位ADC采集，但存儲在8位存儲內存中，以適應ASIC和內存之間的最大傳送速率。在6系列MSO中，它們以12.5GS/s提供完成的12位樣點。在25GS/s時，數據通過12位ADC采集，但存儲在8位存儲內存中，以適應ASIC和內存之間的最大傳送速率。
硬件濾波器技術改善垂直分辨率
多年來，泰克一直提供減噪技術和垂直分辨率增強功能，在配備8位ADC的儀器上實現8位以上的垂直分辨率。在本文中，我們重點介紹單次采集可以使用的技術，而不是波形平均或等效時間采樣。
一般來說，示波器ADCs一直以最大采樣率運行，而不管采用什么設置。然后用戶可以設置較低的采樣率，并壓縮（舍棄）樣點去存儲想要的記錄長度/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。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。樣點會進行平均，創建所需的采樣率，這個過程通常稱為“信號組平均”。每個樣點由更多的信息組成，提供了更好的準確度，有效地提高了垂直分辨率。圖6比較了采樣模式與HiRes（信號組平均）模式。這種技術目前仍在廣泛應用。
圖6 采樣模式與HiRes（信號串平均）模式比較
通過使用信號組平均技術，垂直分辨率的位數可以提高：
0.5 log D
其中：D是壓縮率，或最大采樣率與實際采樣率之比。
可以預測，改善垂直分辨率的能力受到系統固有噪聲的限制。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，那么這些點的準確度會下降，抵消信號組平均或傳統“HiRes”模式實現的分辨率增強。需要指出的是，在模擬信號調節和ADC采樣相結合來優化實時信號特點時，高分辨率模式才會實現最好的效果。
4、5和6系列MSO在信號組平均或“HiRes”方法基礎上作了進一步改進。在傳統方法中，高頻噪聲受到帶寬相對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TEK049 ASIC中的硬件，不僅執行平均功能，還針對每種采樣率實現了防失真濾波器和一套獨特設計的有限脈沖響應（FIR）濾波器，確保用戶以最高分辨率表示被測的原始信號。FIR濾波器對選定的采樣率保持最大帶寬，防止失真，在超出可用帶寬時消除噪聲能量。圖8介紹了濾波器使用方式上的差異。
圖7 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階濾波器可以調節，具體視示波器設置而定；6系列上的 FFT（觸發后）提供了探頭校正功能，確保測量系統的準確性
在4、5和6系列MSO上，每個濾波器的低通響應是為全面平衡噪聲抑制和瞬態階躍響應而設計的。磚墻濾波器可以實現最大的噪聲抑制效果，但不能提供最優的瞬態響應。
吉布斯現象描述了一種效應，大的頻響不連續點（如磚墻濾波器）會在系統的階躍響應中導致振鈴和過沖/下沖，如圖9所示。因此，均衡方法必須考慮限制噪聲，而不會引起差的階躍響應。如果沒有認真均衡，那么示波器可能會導致差的噪底指標，但在波形顯示中卻不能準確地復現信號。
圖8 High Res模式下矩形信號的階躍響應
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125MS/s或以下采樣率時提供了高達16位的垂直分辨率。
ASIC可以觸發并快速顯示高分辨率樣點
除查看更高分辨率的信號外，用戶必須能夠放心地捕獲事件。因此，示波器的觸發系統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實時執行DSP濾波，使用硬件模塊而不是觸發系統，因此觸發可以基于處理后的高分辨率樣點。相比之下，傳統HiRes（信號組平均）方法針對的是存儲的樣點，而不是觸發信號，因此高頻瞬態信號或毛刺可能會假觸發，在顯示的屏幕上看不到。
把新改進的High Res平均和濾波與觸發緊密集成在一起，還會改善顯示模式，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個波形，可以與High Res結合使用，更好地查看識別對性能至關重要的信號細節，如電源設計驗證。圖9左側顯示了FastAcq模式下兩個邊沿上有噪聲的正弦波假觸發，右側顯示了打開High Res時的FastAcq信號。右側正在觸發濾波后的上升沿。
圖9 FastAcq獨立于觸發系統應用信號組平均功能，出現假觸發（左）。FastAcq采用新的High Res方法，濾波觸發（右）
分辨率離開準確度是沒有意義的
如果儀器的前端有噪聲或容易發生失真，或者如果其采樣率發生時間間隔誤差，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中的位數外，還必須考慮失真和抖動。為實現這個目標，電子行業發明了“有效位數”（ENOB）的概念，來考察由于噪聲、失真、插補錯誤和采樣抖動導致的誤差。
什么是有效位數（ENOB）？
ENOB表示模數轉換器或示波器提供的等效實用位數，其中考慮了儀器噪聲、諧波失真、線性度和采樣抖動。它輸入質量非常高的信號，然后把模數轉換器的輸出與該輸入進行對比，來實現這一點。泰克采用 IEEE 模數轉換波形記錄儀標準（IEEE std. 1057）規定的方法。由于上述噪聲和失真，所以ENOB一直低于ADC中的位數。一般來說，優質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，所以它是衡量模數轉換系統實際分辨率的更好的指標。
盡管ENOB是確定模數轉換系統準確度的一個重要因素，但它并不是比較測量質量的萬能指標。它不包括DC偏置、增益、相位和頻率誤差。必須單獨考慮這些誤差，例如，如果進行的測量影響頻率性能的準確度，那么更好的指標可能是誤差矢量幅度（EVM）。ENOB可能會隱藏示波器上頻響或平坦度差的問題。
為實現更高的ENOB，4、5和6系列MSO示波器采用了本白皮書前面重點介紹的增強功能：
● 性能更高的ADC（12位）
● 高清顯示處理技術
● 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
● 實現高分辨率觸發
為實現更高的ENOB，圖10對比了來自1.5V DDR3電源的測量截圖。左側是6位ENOB的傳統8位示波器捕獲的DDR3電源測量截圖。電源似乎有明顯的噪聲和部分顯著的周期性電壓尖峰。右側顯示的是同一電源的測量截圖，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量相比，基準噪聲大大降低。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、更簡便地識別問題。在本例中，來自1.5V降壓調節器的1MHz開關噪聲是問題根源。
圖11 8位示波器（左）和12位示波器（右）DDR3電源比較
總結
示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號細節。但是，提供這種分辨率并不能只靠增加ADC的位數。4、5和6系列MSO采用多角度方法，不僅實現了更高的ADC分辨率，還采用數字信號處理、觸發系統集成、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如下：
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