示波器的垂直精度与垂直分辨率

《示波器的垂直精度与垂直分辨率》由会员分享，可在线阅读，更多相关《示波器的垂直精度与垂直分辨率（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 广州致远电子股份有限公司 工工程技术笔记程技术笔记 示波器的垂直示波器的垂直精度与垂直分辨率精度与垂直分辨率 TN01010101 V0.00 Date:2014/12/07 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 类别 内容 关键词 垂直精度、垂直分辨率 摘 要 示波器的垂直精度与垂直分辨率解析 Technical Note 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. i 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 修订历史修订历史 版本 日期 原因

2、V0.00 2014/12/07 创建文档 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 1 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 目 录 1. 概述 . 1 1.1 垂直精度 . 1 1.2 垂直分辨率解析 . 1 1.3 算法提高分辨率 . 1 1.3.1 几个基本概念 . 1 1.3.2 平均算法 . 2 1.3.3 高分辨率算法 . 3 2. 小结 . 4 3. 免责声明 . 5 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度

3、、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 1 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 1. 概述概述 数字存储示波器与万用表相比， 测量电压到底是谁更准确呢？当然是万用表， 但是为什 么大家还会经常使用示波器来进行测量呢？ 1.1 垂直精度垂直精度 提到测量问题，就会涉及到测量精度。用数字存储示波器测量模拟波形第一步就是用 ADC 将连续的模拟波形信号转换成量化的数字信号，最常用的是 8 位 ADC，也就说对于任 何一个波形值都是用 256 个 0 和 1 来重组。 当我们用同一个示波器在不同垂直档位

4、下测量同一信号时， 一般情况下得到的测量结果 是不一样的，事实上，它涉及到垂直精度的问题，假设当垂直档位为 500mV/div 时，示波器 垂直方向有 8 格， 则其垂直精度分别为 （500mV*8） /256=15.625 mV， 也就是小于 15.625 mV 的电压不会准确测量出来， 测量同一个信号， 在垂直档位为 50mV/div 的情况下， 即 （50mV*8） /256=1.5625 mV，垂直精度就达到了 1.5625 mV，小于该垂直精度的电压值是不能测量出来 的，即数字测量仪器都是存在采集的量化误差的，只能说 ADC 的位数越高，量化误差就会 越小，但它只能无限减小，并不能消

5、除。 所以当我们在对波形进行测量时， 尽量使波形占满示波器屏幕， 目的就是为了提高垂直 精度，使测量结果更准确。 图 1.1 垂直精度示意图 1.2 垂直分辨率垂直分辨率解析解析 我们通常用示波器的垂直分辨率来描述数字示波器中 ADC 的位数，即位数越高，垂直 分辨率越高，该分辨率由硬件决定，一旦确定无法改变。而示波器整个系统的有效位数 （ENOB）形成的分辨率与前者不同，它可以由 8 位变为 12 位，甚至 16 位！ 示波器整个系统的有效位数（ENOB） ，它限制着测量系统区分和表示小信号的能力， 该能力用噪声失真比 （SINAD） 表示， 其值越大代表信号的噪声干扰越小， 有效位数 （E

6、NOB） 与噪声失真比（SINAD）之间的关系为： SINAD（噪声失真比，单位：dB）=6.02* ENOB（有效位数）+1.76 根据该数学关系式可知，SINAD（噪声失真比）大约每增加 6 dB，ENOB（有效位数） 就能增加 1bit。所以提高信噪比，就能提高所谓的系统等效分辨率。 但是只要 ADC 位数不变，无论怎样提高所谓的分辨率归根结底都是对 ADC 采样后的 数据进行数字信号处理，最终只能是在“软件”上提高了分辨率，并不能达到硬件上实现的 性能，因为软件算法提高分辨率会产生副作用，影响采样率等关键指标，波形显示可能会发 生失真现象等等。 1.3 改善等效改善等效分辨率分辨率 示

7、波器都是如何通过改变算法来实现提高分辨率的呢？ 1.3.1 几个基本概念几个基本概念 我们将 ADC 转换成的离散数字信号称为采样点，相邻采样点之间的时间称为采样时间 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 2 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 间隔，几个采样点可以组成一个波形点，波形点储存在捕获存储区内，波形点共同组成一条 波形记录，重构显示波形。相邻波形点之间的时间称为波形间隔。 图 1.2 采样点与波形点 采样时间间隔与波形间隔可

8、以一致，也可以不一致，由此产生出不同的捕获方式。目前 大部分的示波器对 ADC 采样后提高所谓的分辨率最常用的方法就是采用“平均”的做法， 一般具体是通过形成平均和高分辨率的捕获方式实现的。 1.3.2 平均平均算法算法 在平均捕获方式中，可先设置一个平均次数 N，之后示波器会对采集的 N 段波形，将 它们按照触发位置对齐， 对N段波形进行平均运算， 最终得到一段平均后的波形。 在ZDS2022 示波器中平均数可设置的范围是 265536，系统默认设为 64 次。 图 1.3 平均算法示意图 由图可知，它降低随机噪声的同时并没有损失带宽，进而噪声失真比就会变大，故示波 器系统的分辨率就会提高，

9、 但是平均模式会经过较长的时间来响应变化的波形， 以牺牲示波 器的速度来换取较高的分辨率。 由于其处理方式的特殊性，决定了它适用的波形信号只能是周期信号； 设置的平均次数越多，分辨率越高，显示的波形越平滑，减小随机噪声，有利于对 信号进行滤波测量； 由于一些噪声干扰，使得采集的 N 段波形的触发位置存在偏差，最终平均的波形 可能会产生失真现象。 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 3 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 图 1.4 触

10、发位置有偏差示意图 1.3.3 高分辨率高分辨率算法算法 高分辨率捕获方式是对一段波形中的每 N 个点求平均，把原来的 N 个采样点替换成一 个平均点来显示，可以有效改善系统的等效分辨率。其本质上就是一种数字滤波。用于求平 均的采样点数 N 越大，分辨率提高得越多，从而显示的波形更平滑！ 图 1.5 高分辨率算法示意图 该处理方法无周期信号限制，可以应用于非周期信号； 当 N 越大时，等效分辨率改善越多，但会影响采样率，降低带宽，不能准确测量 高频信号，同时对示波器的测量统计功能造成影响； 高分辨率与平均捕获模式相比，不需要多次采集，只需一次采集就可实现，实现速 度较快，非常适合对低频微小信号

11、进行优化测量。 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 4 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 2. 小结小结 当采用平均的方式来改善分辨率时，会消除波形中的随机噪声，使显示的波形更平滑， 对于一些高压信号中的小电压细节时或是对开关电源作特性分析时， 高的分辨率对捕获波形 是非常有利的， 能准确了解被测信号的整体特征。 但是通过平均得到的高分辨率会造成较低 的采样率，影响波形的带宽，不利于一些波形的参数测量。 ZDS2022 示波器的 A

12、DC 用的是很常用的 8 位，其软件算法已将系统整体分辨率提升到 12 位，这是很容易实现的，实际上同样是可以等效为 16 位的，甚至更高位数，在示波器使 用过程中，应注意对通过平均和高分辨率模式的算法改善的分辨率正确地运用。 例如，在功率器件（例如 MOSFET）的饱和压降的测试中，需要从 400V 的电压中捕获 出 100mV 的小电压，这种情况下，高分辨率非常有必要，另外，在医疗应用中，很多信号 如心电图信号或者脑电图信号，都非常接近噪声，同样需要高分辨率。电源测试（小电压电 源纹波、开关管等） 、高精度传感器、高能物理、射频小信号测量、生物电信号测量、水下 声纳信号测量等这些需要检测微

13、小信号的应用中，高分辨率都是非常必要的。 广州致远电子广州致远电子股份股份有限公司有限公司 垂直精度、垂直分辨率 工程技术笔记工程技术笔记 2013 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 5 示波器的示波器的垂直垂直世界世界 3. 免责免责声明声明 此文档的著作权属于广州致远电子股份有限公司。 任何个人或者是单位， 未经广州致远 电子股份有限公司同意， 私自使用此用户手册进行商业往来， 导致或产生的任何第三方主张 的任何索赔、要求或损失，包括合理的律师费，由您赔偿，广州致远电子股份有限公司与合 作公司、关联公司不承担任何法律责任。 广州致远电子股份有限公司特别提醒用户注意： 广州致远电子股份有限公司为了保障公 司业务发展和调整的自主权，拥有随时自行修改此文档而不通知用户的权利。如有必要，修 改会以通告形式公布于广州致远电子股份有限公司网站重要页面上。