用高分辨率示波器测量微小信号

谈及分辨率，人们最容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标，一般用水平和垂直方向的像素点个数或者DPI(每英寸点数)来表示。显然，高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器，工程师极少谈及它的分辨率，谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率，更准确地说是垂直分辨率，也就是模数转换器(ADC)的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8位，故而极少提及垂直分辨率。

实时示波器由于采样率高，ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求，美国力科公司研发了新型的实时示波器WaveRunner HRO 6Zi，简称HRO(高分辨率示波器)。其ADC位数达12位，同时具备较高的采样率-2GS/s。存储深度(记录长度)可以达到每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然，它也具备示波器所擅长的测量、分析和调试功能，其易用性更好。

ADC位数对垂直分辨率有多大影响？我们来看图1，这是用8位示波器和12位示波器分别对同一个信号采集后，对其中部分波形放大显示的结果。

图1：8位示波器和12位示波器捕获波形对比。

从图中可以看出8位示波器采集的波形出现台阶状现象，这是因为信号的微小变化和ADC的量化误差相当，信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师在使用示波器时并没有注意到这个现象。这好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机，站在5米外观看可能看不出差别，靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节，也就有类似的效果。

垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方，一台高分辨率的电视机，如果它内部电路的噪声很大，导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理，示波器ADC能够分辨的最小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢？有的示波器厂家喜欢采用基底噪声：示波器不输入信号，测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号，示波器内部电路的工作状态可能差别很大。图2是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图，并分别对时域波形做FFT，观察频域。在没有信号输入时，频域噪底比较平坦；而输入正弦波后，除了信号基频和谐波分量以外，出现了不少杂散，而且噪底的形状也不再平坦。因此，基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。

图2：示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图。

更科学的指标是信号与噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio，SINAD)，以及有效位数(ENOB)。SINAD的测量需要输入一定频率、一定幅度的高信噪比正弦波给示波器，计算信号功率和噪声失真功率之比。ENOB在数学上可以通过SINAD计算得到。SINAD、ENOB与输入信号频率、幅度的大小以及示波器的工作状态都有关。

力科HRO不仅ADC位数比其他实时示波器高，也有极低的噪声水平。其典型的信噪比为55dB，而8位示波器一般只有35~40dB。图3是将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器，转化到频域观察的图形。两者频域的垂直刻度和基准都一样。从图中可以看出，12位示波器的频域噪底比8位示波器低大约10dB。

图3：将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器，转化到频域观察。

我们来看一个实际的测试案例：需要对某开关电源产品中的功率MOS管进行分析。其中有一个测试项是MOS管导通损耗。分别用电压和电流探头测量漏源电压Vds与漏极电流Ids，在示波器上将两个波形相乘得到功率波形，导通期间的功率就是导通损耗。由于在导通期间，Vds与Ids的值都很小，和8位示波器的量化误差相当。可以将Vds波形导通时的波形放大观察，同样也会出现前文提到的台阶状现象(图4)。

图4：将Vds波形导通时的波形放大观察。

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试，8位示波器测量的导通损耗是1.5W，HRO测量的导通损耗是688mW(图5)。

图5：8位示波器与HRO测量的导通损耗对比。

使用低分辨率示波器的工程师，也许会花费很多精力物力去降低导通损耗，殊不知测量结果主要是量化误差。

本文小结

力科HRO示波器的高分辨率特性，使其特别适合测量和分析微小变化的信号，如高精度传感器和执行器，心电、脑电等微弱生理信号，电源噪声和纹波，以及无线中频信号等等。