示波器并非千篇一律：ADC和低本底噪聲為何至關(guān)重要

在工程領(lǐng)域，精度是核心要素。無(wú)論是對先進(jìn)電子設備執行質(zhì)量和性能檢測，還是對復雜系統進(jìn)行調試，測量精度的高低都直接關(guān)系到項目的成功與否。這時(shí)，示波器中的垂直精度概念就顯得尤為重要，它衡量的是電壓與實(shí)際被測信號電壓之間的一致性。而要實(shí)現高垂直精度，關(guān)鍵在于兩個(gè)因素：一是模數轉換器 (ADC)的位數，二是示波器的本底噪聲。

1 ADC位數的作用

示波器的橫軸代表時(shí)間基準，通常以s/div來(lái)表示，而縱軸則表示電壓，以V/div為單位。垂直精度關(guān)乎示波器所顯示的信號電壓的精確程度，這對于直觀(guān)地顯示電信號的波形和特征以及實(shí)現精確的測量都至關(guān)重要。簡(jiǎn)而言之，示波器屏幕上讀取的電壓值與實(shí)際信號電壓越接近，就意味著(zhù)其垂直精度越高。

為了獲得最佳的讀數結果，工程師們需要依賴(lài)那些擁有最高ADC位數以及最低本底噪聲的示波器。更高的ADC位數可提供更高的垂直分辨率，從而使得信號的顯示效果更為精確。而較低的本底噪聲，則能最大限度地降低示波器對信號產(chǎn)生的干擾。這種組合可確保示波器能夠準確地捕捉和顯示信號的細節，將可能影響測量結果的任何失真或噪聲降至最低。

詳細來(lái)說(shuō)，一個(gè)具有8位ADC的示波器，能夠將模擬輸入信號編碼為256個(gè)不同的等級（2⁸=256）。每當ADC的位數增加一位，代表其可以轉換成的信號等級數量就增加一倍。因此，9位ADC的轉換精度是512個(gè)信號等級（2⁹=512），10 位ADC 的轉換精度則是1,024個(gè)信號等級（2¹⁰=1,024），依此類(lèi)推。配備14位ADC 的示波器，可將模擬輸入信號編碼為16,384個(gè)等級（2¹⁴=16,384）。這一分辨率是常規12位ADC示波器的4倍，更是8位ADC示波器的64倍。得益于這種超高的分辨率，示波器能夠捕捉到信號中更精細的細節信息，進(jìn)而提供更準確的波形顯示。

當這一原理在設定為每格100mV垂直刻度、且擁有8個(gè)垂直分格的示波器上應用時(shí)，示波器的全屏顯示范圍達到了800mV（100 mV/div*8）。若采用8位ADC時(shí)，這800mV的全屏范圍被劃分為256個(gè)等級，因此意味著(zhù)每個(gè)等級的分辨率約為3.125mV。相比之下，當采用14位ADC時(shí)，相同的800mV顯示范圍則能被精細地分割成16,384個(gè)等級，使得每個(gè)等級的分辨率高達48.8μV。如圖1 所示，如此大幅度的分辨率提升，讓工程師們能夠捕捉到信號中更為細微的變化，并進(jìn)行精確測量。

圖1 隨著(zhù)ADC位數的增加，轉換的信號等級數量也隨之增加。這就帶來(lái)了更高的垂直分辨率，使工程師能夠測量更加微小的信號變化

2   低本底噪聲的重要性

盡管更高的ADC位數對垂直精度至關(guān)重要，但它并非唯一的考量因素。示波器的本底噪聲同樣也扮演著(zhù)舉足輕重的角色。這里所說(shuō)的本底噪聲，是指示波器本身所產(chǎn)生的固有噪聲，它有可能對正在測量的信號產(chǎn)生干擾，進(jìn)而引發(fā)讀數的不準確。

包括示波器在內的所有電子設備都會(huì )產(chǎn)生一定程度的噪聲。不過(guò)，是德科技的目標是盡可能地減少噪音干擾。較低的本底噪聲意味著(zhù)示波器對信號的影響會(huì )減少，從而使測量結果更加精確。此外，值得注意的是，小于該本底噪聲的信號細節將無(wú)法被用戶(hù)觀(guān)測到。這一點(diǎn)在測量微小電壓時(shí)顯得尤為重要，因為在這種情況下，即使是很小的噪聲也會(huì )導致讀數出現顯著(zhù)偏差。

例如，圖2展示了一臺示波器正在對53μV的信號進(jìn)行測量。在設定為2mV/div的情況下，該示波器的本底噪聲小于50μV。得益于如此低的本底噪聲，這臺示波器能夠成功捕捉到微小的53μV信號。然而，如果換用其他通用示波器，由于它們的本底噪聲往往超過(guò)100μV，因此這個(gè)信號就很可能會(huì )被噪聲所掩蓋，從而無(wú)法被觀(guān)測到。

圖2 本底噪聲小于50μV的示波器可捕捉到53μV的微弱信號，相比之下，這樣的信號在其他通用示波器的本底噪聲中往往會(huì )被淹沒(méi)而無(wú)法被觀(guān)測到

3   集高ADC位數和低本底噪聲于一身

將高位數的ADC與低本底噪聲相結合，能夠實(shí)現極高的垂直精度。這樣一來(lái)，示波器便能夠最準確地捕捉和顯示信號，使工程師能夠進(jìn)行精確的測量，并有效避免可能導致重大損失的錯誤。

例如， 如果示波器具有14位ADC， 并在2mV/div、1 GHz 帶寬下針對50 Ohm 的輸入能保持本底噪聲小于50μV，那么它將展示出卓越的垂直精度，進(jìn)而使工程師能夠捕捉到信號中最微小的變化。這一優(yōu)勢對于工程師深入洞察、理解、調試以及表征設計而言至關(guān)重要。此外，示波器結果不準確可能會(huì )延長(cháng)開(kāi)發(fā)周期、影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能導致組件選擇上的風(fēng)險增加。因此，工程師需要依靠那些能夠為他們提供最佳見(jiàn)解和最高準確性的工具和技術(shù)。

4   總結

必須明確的是，并非所有示波器的性能都是一樣的。工程師們應該選擇那些ADC位數最高且本底噪聲極低的示波器，以確保達到最高的垂直精度。這種組合可確保示波器能夠準確地捕捉和顯示信號，最大限度地減少可能影響測量結果的任何失真或噪聲干擾。高垂直精度對于精確測量、減少誤差以及節省時(shí)間和資源等方面而言至關(guān)重要。因此，工程師若投資和使用具備高垂直精度的示波器，便可對其測量結果充滿(mǎn)信心，進(jìn)而提高調試效率。

（本文來(lái)源于《EPPW》202411）