通過(guò)算法改善示波器垂直分辨率

分組平均本質(zhì)上也是一種數字濾波。樣點(diǎn)抽取倍數越高，分辨率提升得越多。據某款示波器規格，當抽取倍數為16 時(shí)，可由8bit 提升到12bit。

同樣，分組平均提升分辨率的代價(jià)是性能受損和波形失真：

1）高采樣率和高垂直分辨率不可兼得。比如在8bit、40GSa/s 的示波器上要實(shí)現12bit 分辨率，處理后的采樣率只能到2.5GSa/s 。要使處理后的采樣率達到5GSa/s，分辨率只能提升到11bit。

2 ）示波器帶寬和垂直分辨率也不可兼得。在上一條例子中，要實(shí)現 12bit 分辨率，帶寬從4GHz 下降到500MHz。

3 ）工作在HiRes 模式下的示波器，使用者不能直接選擇增強多少bit 分辨率，它隨示波器的時(shí)間刻度動(dòng)態(tài)變化。使用者不知道當前增強了多少分辨率、帶寬下降到多少。

4 ）分組平均算法對抑制高斯白噪聲有效果，而對于示波器ADC 的INL （積分非線(xiàn)性）引起的噪聲沒(méi)有抑制作用。

5 ）信號比較陡峭的邊沿在HiRES 模式下，容易欠采樣。例如信號邊沿原本有16 個(gè)采樣點(diǎn)，為了提高4bit分辨率，需要每 16 個(gè)點(diǎn)取平均。結果邊沿只剩下 1 個(gè)樣點(diǎn)。不少示波器以sin(x)/x 方式做內插，在欠采樣的情況下會(huì )導致吉布斯現象，使本來(lái)正常的邊沿出現過(guò)沖、振鈴：

6 ）分組平均也會(huì )顯著(zhù)降低示波器波形更新率。

7 ）分組平均可以有條件地提升分辨率，卻不能改善示波器的準確度。例如具有硬件12bit ADC 示波器的直流增益精度可以達到±0.5% 。采用過(guò)采樣和線(xiàn)性降噪技術(shù)提升到12bit 分辨率的示波器，直流增益精度仍然是8bi ADC 示波器的水平：±2%

下圖是三種測試場(chǎng)景，被測信號都是正弦波峰值附近存在一個(gè)微小變化。對波形做局部放大后的效果：

三、結論

無(wú)論什么形式的算法，在付出一定代價(jià)后，只是在數學(xué)意義上提升了垂直分辨率，測量微小信號的能力是有限的。當工程師身邊只有8bit ADC 示波器的時(shí)候，可以通過(guò)這些方法來(lái)改善一下信噪比。當真正需要高分辨率、高準確度測試的場(chǎng)合，無(wú)疑還是需要具有真實(shí)硬件12bit ADC 的示波器。在12bit ADC示波器上也可以開(kāi)啟這類(lèi)算法。軟硬兼施，效果更好。