示波器的ADC对垂直分辨率有何影响？

所谓的ADC，其全称是Analog-to-Digital Converter 模拟数字转换器的意思。通常来说，自然界产生的信号，其实都是模拟信号，像我们说话的声音，我们看到的图像，我们感受到的温度等等。但是这些模拟信号在电子产品中最终都得以数字信号Q的方式进行处理，存储或者传输，那如何把模拟信号转换成数字信号呢？所以，我们就需要ADC模数转换器了。

ADC模数转换器的重要性

1965 年，戈登.摩尔(Gordon Moore) 预测，集成电路(IC) 中晶体管的密度将会每两年翻一番。该预测被称为“摩尔定律"，至今仍然非常强大。现如今，计算和模数转换技术已经出现爆炸性增长。例如我们已经看到，由于 IC 密度的增加，现场可编程门阵列(FPGA) 和中央处理器(CPU) 的性能一直在呈指数增长。

FPGA 和CPU 性能随时间的变化

随着摩尔定律影响着处理器的性能，IC 晶体管密度的增加也极大地提高了模数转换器(ADC) 和数模转换器的性能。如下图所示，摩尔定律对这些设备的性能产生了指数效应。

10 位ADC 性能（采样率）随时间的变化

随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高，以及对于系统灵敏度等要求的不断提高，对于高速、高精度的ADC（Analog to Digital Converter）、DAC（Digital to Analog Converter）的指标都提出了很高的要求。比如在雷达和卫星通信中，所需要的信号带宽已经达到了 2 GHz 以上，而下一代的 5G 移动通信技术在使用毫米波频段时也可能会用到 2 GHz 以上的信号带宽。虽然有些场合（比如线性调频雷达）可能采用频段拼接的方式去实现高的带宽，但是毕竟拼接的方式比较复杂，而且对于通信或其它复杂调制信号的传输也有很多限制。

根据 Nyquist 采样定律，采样率至少要是信号带宽的 2 倍以上。同时为了支持灵活的制式、相控阵或大规模 MIMO 的波束赋形，现代的收发机模块越来越普遍采用数字中频直接采样，这其实进一步提高了对于高速 ADC/DAC 芯片的性能要求。

了解宽带信号采集的示波器和数字化仪之间的差异

下图是一个典型的全数字雷达收发信机模块的结构。

典型的全数字雷达收发信机模块的结构

高精度ADC模数转换器的重要性

• 提供更高的采样精度，从而可以更准确地测量模拟信号。这对于要求高精度测量的应用，如医疗仪器，测试和测量设备以及信号处理系统等是非常重要的。

• 更有效地抑制噪声，从而可以提高信号质量。这对于对信号质量要求高的应用，如音频处理，图像处理和通信系统等是非常重要的。

• 可以提供更大的动态范围，从而可以测量更广泛的信号范围。这对于测量信号变化幅度较大的应用，如重力测量，气压测量和加速度测量等是非常重要的。

那么问题来了：示波器的ADC对垂直分辨率有何影响？

- 如果信噪比（SNR）足够高的话，ADC位数越多即表示可以看到的信号细节越小。

我们知道，所有制造商均指ding了其示波器的ADC位数，分辨率是由示波器中的模数（A/D）转换器所确定的最小量化水平。

上图所示的是 8 位分辨率示波器与 12 位分辨率示波器的采集结果对比。两台示波器均与相同的低噪声 10 MHz 参考时钟信号相连。放大函数用于对每个捕获波形的顶部进行放大。

唯yi的数字编码或量级（Q 级）的位数是 2n，其中 n 是指 ADC 位数。8 位 ADC 具有256 Q 级，而 12 位 ADC 具有 4096 Q 级。每个示波器 ADC 在示波器的全量程垂直值内工作，因此，Q 电平步进与全标度垂直示波器设置有关。

如果用户将垂直设置调整为 100 mV/ 格，例如全屏等于 800 mV（8 格 x 100 mV/ 格），Q 电平分辨率等于 3.125mV/ 电平（800 mV / 256 电平）。

如果测量电流，对于 10 mA/ 格的垂直设置，Q 电平分辨率设置为 312.5 μA/ 电平（80 mA / 256 电平）。

如果信噪比（SNR）足够高的话，ADC位数越多即表示可以看到的信号细节越小。

对于下图中所示的增加的分辨率位数的有效性，噪声通常具有更重要的影响。在这个示例中，无论是拥有 12 位 ADC 的 LeCroy HRO66Zi，还是拥有 12 位垂直分辨率的 KeysightDSO9054H，均充分利用了 10 位的分辨率。分辨率的较低两位被整个垂直设置量程的前端噪声所消耗。

示波器全标度垂直读数

量程设置对示波器分辨率的影响

量程设置对示波器的分辨率利用程度影响很大。

启用模数转换器(ADC) 首先需要设置垂直刻度并尽可能全屏显示波形。举个例子，假如被测信号波形占据示波器屏幕的½，那么 8 位ADC 实际被使用的位数就降到了7 位。又假设波形只占屏幕的¼，那么ADC 实际被使用的位数就从 8 位降至 6 位。如果将波形放大到占据整个屏幕，示波器ADC 的 8 位分辨率就可以得到最充分利用。要获得最佳分辨率，就必须使用垂直刻度设置， 在显示屏上尽可能接近满屏显示波形。

ADC、示波器前端架构及使用的探头决定了示波器硬件能够支持将垂直量程设置降到多低。所有示波器的垂直刻度设置都有一个极限点，超过这个点，硬件不再起作用，这时，即使用户继续使用旋钮将垂直刻度设置变得更低，也不会改进分辨率， 因为这时用的是软件放大功能。示波器厂商通常将这个点作为转折点，在此之后，即使将示波器的垂直刻度设置得更小，也只能在显示效果上放大信号，但无法像用户期待的那样提高分辨率，因为这时示波器是用软件放大波形。传统示波器在垂直量程设置降至 10mV/格以下，就会启用软件放大功能。另外，部分厂商的示波器会在较小的垂直刻度设置(通常是 10 mV/格以下) 时，自动将示波器带宽限制为远低于标称带宽的一个值。因为这些示波器的前端噪声过于明显，几乎不可能在全带宽上查看小信号。

我们现在对比一下两款示波器。小信号具有一定的幅度，当示波器垂直设置设为16 mV 全屏时，它会占据几乎全屏的空间。

• Infiniium 9000 系列示波器等传统示波器硬件支持的最小刻度是7 mV/格, 低于该设置的垂直刻度, 是用软件放大实现的, 7 mV/格的设置意味着量程是 56 mV (7 mV/格x 8 格), 该示波器采用了8 位ADC, 量化电平数是256, 因此其最小分辨率为218 uV。

• Infiniium S 系列示波器采用了10 位ADC, 硬件支持的最小垂直刻度是2 mV/格, 并且该设置支持满带宽。2 mV/格设置对应的量程为 16 mV (2 mV/格x 8 格), 因此分辨率为 16 mV/1024, 即为15.6 uV — 是传统的8 位示波器的14 倍(参见图4)。

图 4. 查看小信号细节时, 示波器硬件所支持的最小量程是一个关键指标, 决定了您能否查看信号的最小分辨率。