在星球文章:【示波器专题】数字示波器的主要指标——采样率 中我们讲到,真正输入示波器的信号在时间轴和电压轴上都是连续变化的,但是这样的信号无法用数字方法进行处理。要通过前端放大器和衰减器把信号调整到合适的幅度后,示波器的ADC对波形进行采样量化。

因此对于数字示波器来说,ADC是把连续的模拟信号转换为离散的采样数据的关键器件,数据样点的水平时间分辨率取决于示波器的采样率,而数据样点的垂直电压分辨率取决于其量化位数。

ADC的种类有很多,万用表使用的是积分型ADC;手机、基站普遍使用的是逐次比较型或Σ -Δ 型ADC;示波器为了尽可能高的带宽和较快速度进行高频信号测量,使用的是Flash型ADC。

Flash型ADC又称为并行ADC,其结构如下图所示:设ADC的位数为N位,则ADC的输入满量程REF被2*n个完全相同的电阻分压成2*n-1份,经过比较器进行比较,将比较的结果再进行译码就可以得到当前输入被测信号的电压值。

如下图所示的周立功4000X系列示波器,数据手册写其垂直系统模拟通道特性垂直分辨率为8bit。

因为Flash型ADC是多个比较器同时并行进行比较并译码的,因此工作速度很快。但也有如下的缺点。

1.分辨率不高,如果要实现N位ADC就需要2*n个分压电阻和2*n-1个比较器,芯片的功耗、尺寸和成本都成几何级数上升,因此Flash型ADC位数一般做到8位,目前市面上也有10位的。

2.对器件要求一致性非常高,Flash型ADC对内部的分压电阻和比较器要求一致性很高,否则就会对器件的线性度造成很大的影响,因此工艺要求较高。一般为了提高线性度,实时示波器通常会事先对其线性度、偏置误差、增益等进行校准。

最常用的校准方法是用一个更高位数和DAC(数模转换器)产生的不同的直流电平送给示波器的输入端,根据示波器测量到的实际结果进行修正和校准。有些示波器的Aux Out或者Cal Out输出口就可以产生这样的校准信号输出。

对于数字实时示波器,最关键的是要求要有高采样率以实现高带宽的信号采样,因此市面上绝大部分数字实时示波器使用的是Flash型ADC。因此大部分的示波器垂直分辨率都是8位的,对于人眼观察波形是足够的,但是其直流电压或者是信号幅度的测量度并不是太高。因为其理论上的量化误差就有满量程的1/256,再加上增益误差和偏置误差等因素,实际示波器的直流测量精度通常在满量程的2%左右。

如果只是大概看一下信号电压,这个精度没有问题,但是对于一些需要精确测量的场合就不够了。需要其他测试仪器比如万用表进行测试。

目前我们常用的是数字万用表,一般分为手持的和台式的。手持的万用表有3位半(十进制)的分辨率,台式的通常有5位半或6位半分辨率。万用表标的一般是十进制位数,6位代表百万分之一(1/(10^6))的分辨率。

万用表里的ADC通常是积分型ADC,工作原理如图所示(以简单的双斜积分ADC为例):被测电压Vi在ti时间内对积分电路充电,再用已知的Vref电压对积分电路进行放电,通过测量放电时间t2就可以推算出Vi的值。积分型ADC通过增加积分时间就可以提高测量分辨率并减小噪声、电源杂波等的影响,因此很多台式万用表都有20bit以上的分辨率。

直流电压精确测量的正确工具是万用表而不是示波器,因为万用表的精度远优于示波器。虽然示波器的价格比万用表高出很多,但是测量直流电压并不是它的强项,示波器的应用还是在于信号波形的测量上,可以看到信号电压的变化情况,这点是万用表无法匹敌的。在高频信号的参数测量方面,示波器更是可以比万用表大显身手。

目前也有些新型的示波器能做到10bit分辨率,通过提升ADC的位数后,直观上的感觉就是对小信号分辨能力提高。

但是ADC的位数高并不一定带来好的测量效果。因为示波器是一个复杂的测量系统,噪声失真除了ADC芯片之外,还可能来自前端放大器内部的电源及时钟电路。因此我们需要看真实情况下示波器的底噪、信号失真、等效位数的表现。

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