示波器并非千篇一律：ADC和低本底噪聲為何至關(guān)重要

在工程領(lǐng)域，精度是核心要素。無論是對先進(jìn)電子設(shè)備執(zhí)行質(zhì)量和性能檢測，還是對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，測量精度的高低都直接關(guān)系到項(xiàng)目的成功與否。這時(shí)，示波器中的垂直精度概念就顯得尤為重要，它衡量的是電壓與實(shí)際被測信號(hào)電壓之間的一致性。而要實(shí)現(xiàn)高垂直精度，關(guān)鍵在于兩個(gè)因素：一是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的位數(shù)，二是示波器的本底噪聲。

1 ADC位數(shù)的作用

示波器的橫軸代表時(shí)間基準(zhǔn)，通常以s/div來表示，而縱軸則表示電壓，以V/div為單位。垂直精度關(guān)乎示波器所顯示的信號(hào)電壓的精確程度，這對于直觀地顯示電信號(hào)的波形和特征以及實(shí)現(xiàn)精確的測量都至關(guān)重要。簡而言之，示波器屏幕上讀取的電壓值與實(shí)際信號(hào)電壓越接近，就意味著其垂直精度越高。

為了獲得最佳的讀數(shù)結(jié)果，工程師們需要依賴那些擁有最高ADC位數(shù)以及最低本底噪聲的示波器。更高的ADC位數(shù)可提供更高的垂直分辨率，從而使得信號(hào)的顯示效果更為精確。而較低的本底噪聲，則能最大限度地降低示波器對信號(hào)產(chǎn)生的干擾。這種組合可確保示波器能夠準(zhǔn)確地捕捉和顯示信號(hào)的細(xì)節(jié)，將可能影響測量結(jié)果的任何失真或噪聲降至最低。

詳細(xì)來說，一個(gè)具有8位ADC的示波器，能夠?qū)⒛M輸入信號(hào)編碼為256個(gè)不同的等級(jí)（2⁸=256）。每當(dāng)ADC的位數(shù)增加一位，代表其可以轉(zhuǎn)換成的信號(hào)等級(jí)數(shù)量就增加一倍。因此，9位ADC的轉(zhuǎn)換精度是512個(gè)信號(hào)等級(jí)（2⁹=512），10 位ADC 的轉(zhuǎn)換精度則是1,024個(gè)信號(hào)等級(jí)（2¹⁰=1,024），依此類推。配備14位ADC 的示波器，可將模擬輸入信號(hào)編碼為16,384個(gè)等級(jí)（2¹⁴=16,384）。這一分辨率是常規(guī)12位ADC示波器的4倍，更是8位ADC示波器的64倍。得益于這種超高的分辨率，示波器能夠捕捉到信號(hào)中更精細(xì)的細(xì)節(jié)信息，進(jìn)而提供更準(zhǔn)確的波形顯示。

當(dāng)這一原理在設(shè)定為每格100mV垂直刻度、且擁有8個(gè)垂直分格的示波器上應(yīng)用時(shí)，示波器的全屏顯示范圍達(dá)到了800mV（100 mV/div*8）。若采用8位ADC時(shí)，這800mV的全屏范圍被劃分為256個(gè)等級(jí)，因此意味著每個(gè)等級(jí)的分辨率約為3.125mV。相比之下，當(dāng)采用14位ADC時(shí)，相同的800mV顯示范圍則能被精細(xì)地分割成16,384個(gè)等級(jí)，使得每個(gè)等級(jí)的分辨率高達(dá)48.8μV。如圖1 所示，如此大幅度的分辨率提升，讓工程師們能夠捕捉到信號(hào)中更為細(xì)微的變化，并進(jìn)行精確測量。

圖1 隨著ADC位數(shù)的增加，轉(zhuǎn)換的信號(hào)等級(jí)數(shù)量也隨之增加。這就帶來了更高的垂直分辨率，使工程師能夠測量更加微小的信號(hào)變化

2   低本底噪聲的重要性

盡管更高的ADC位數(shù)對垂直精度至關(guān)重要，但它并非唯一的考量因素。示波器的本底噪聲同樣也扮演著舉足輕重的角色。這里所說的本底噪聲，是指示波器本身所產(chǎn)生的固有噪聲，它有可能對正在測量的信號(hào)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而引發(fā)讀數(shù)的不準(zhǔn)確。

包括示波器在內(nèi)的所有電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生一定程度的噪聲。不過，是德科技的目標(biāo)是盡可能地減少噪音干擾。較低的本底噪聲意味著示波器對信號(hào)的影響會(huì)減少，從而使測量結(jié)果更加精確。此外，值得注意的是，小于該本底噪聲的信號(hào)細(xì)節(jié)將無法被用戶觀測到。這一點(diǎn)在測量微小電壓時(shí)顯得尤為重要，因?yàn)樵谶@種情況下，即使是很小的噪聲也會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)出現(xiàn)顯著偏差。

例如，圖2展示了一臺(tái)示波器正在對53μV的信號(hào)進(jìn)行測量。在設(shè)定為2mV/div的情況下，該示波器的本底噪聲小于50μV。得益于如此低的本底噪聲，這臺(tái)示波器能夠成功捕捉到微小的53μV信號(hào)。然而，如果換用其他通用示波器，由于它們的本底噪聲往往超過100μV，因此這個(gè)信號(hào)就很可能會(huì)被噪聲所掩蓋，從而無法被觀測到。

圖2 本底噪聲小于50μV的示波器可捕捉到53μV的微弱信號(hào)，相比之下，這樣的信號(hào)在其他通用示波器的本底噪聲中往往會(huì)被淹沒而無法被觀測到

3   集高ADC位數(shù)和低本底噪聲于一身

將高位數(shù)的ADC與低本底噪聲相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的垂直精度。這樣一來，示波器便能夠最準(zhǔn)確地捕捉和顯示信號(hào)，使工程師能夠進(jìn)行精確的測量，并有效避免可能導(dǎo)致重大損失的錯(cuò)誤。

例如， 如果示波器具有14位ADC， 并在2mV/div、1 GHz 帶寬下針對50 Ohm 的輸入能保持本底噪聲小于50μV，那么它將展示出卓越的垂直精度，進(jìn)而使工程師能夠捕捉到信號(hào)中最微小的變化。這一優(yōu)勢對于工程師深入洞察、理解、調(diào)試以及表征設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。此外，示波器結(jié)果不準(zhǔn)確可能會(huì)延長開發(fā)周期、影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致組件選擇上的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，工程師需要依靠那些能夠?yàn)樗麄兲峁┳罴岩娊夂妥罡邷?zhǔn)確性的工具和技術(shù)。

4   總結(jié)

必須明確的是，并非所有示波器的性能都是一樣的。工程師們應(yīng)該選擇那些ADC位數(shù)最高且本底噪聲極低的示波器，以確保達(dá)到最高的垂直精度。這種組合可確保示波器能夠準(zhǔn)確地捕捉和顯示信號(hào)，最大限度地減少可能影響測量結(jié)果的任何失真或噪聲干擾。高垂直精度對于精確測量、減少誤差以及節(jié)省時(shí)間和資源等方面而言至關(guān)重要。因此，工程師若投資和使用具備高垂直精度的示波器，便可對其測量結(jié)果充滿信心，進(jìn)而提高調(diào)試效率。

（本文來源于《EPPW》202411）