技術(shù)文章
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淺談示波器的分辨率的重要性
在查看多儀器設(shè)備的示波器功能或比較兩臺(tái)臺(tái)式示波器時(shí)，我們首先要考慮的規(guī)格是帶寬和采樣率。雖然這些是極其重要的規(guī)格，但通常大多數(shù)設(shè)計(jì)工作都在大多數(shù)產(chǎn)品的極限范圍內(nèi)完成，需要考慮的更關(guān)鍵的規(guī)格是分辨率。您是否知道，雖然大多數(shù)流行的示波器從 8 位開始，但高分辨率正成為一種越來越重要（且越來越可用）的選項(xiàng)？
由于您通常必須在采樣率和分辨率之間進(jìn)行選擇作為 ADC 和 DAC 的功能，因此這常常引出一個(gè)問題：為什么選擇在示波器上優(yōu)先考慮高分辨率？
示波器中的信號(hào)完整性和降噪
信號(hào)完整性和降噪對(duì)于敏感設(shè)計(jì)至關(guān)重要，分辨率在確保您看到的信號(hào)來自手頭的電路而不是您正在使用的儀器的偽像方面起著重要作用。當(dāng)采集大信號(hào)并尋找可能對(duì)設(shè)計(jì)的最終用途產(chǎn)生負(fù)面影響的較小分量信號(hào)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。例如，使用 8 位分辨率，只能檢測(cè)到 5 V 信號(hào)上約 19.53 mV 的差異。像 ADP3450 這樣的 14 位示波器可以檢測(cè)到相同5 V 信號(hào)上約 300 μV 的更小變化，從而更容易檢測(cè)和調(diào)試敏感設(shè)計(jì)的問題。
通過比較上圖和下圖屏幕截圖中心的磁滯圖，可以最明顯地看出此示例信號(hào)的分辨率差異。
在我們?cè)O(shè)計(jì)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及 FPGA 開發(fā)板的工作中，高分辨率通常起著至關(guān)重要的作用。以下是一些示例：
在驗(yàn)證 FPGA 板上的電源時(shí)，尋找并能夠看到紋波、負(fù)載瞬變和環(huán)路頻率響應(yīng)至關(guān)重要。這種情況發(fā)生在自然噪聲環(huán)境中的小信號(hào)中，規(guī)格非常嚴(yán)格，并且必須具有高分辨率。
在測(cè)試和測(cè)量方面，使用示波器儀器驗(yàn)證產(chǎn)品的一部分是評(píng)估通道之間的串?dāng)_，并確保串?dāng)_不存在或可以忽略不計(jì)，以便每個(gè)通道上的信號(hào)測(cè)量不會(huì)相互影響。由于分辨率限制了本底噪聲，如果沒有高分辨率，我們?cè)诓榭葱盘?hào)的頻譜視圖時(shí)將無法看到任何微小的串?dāng)_分量。為了確保我們的儀器不會(huì)引入噪聲和扭曲信號(hào)，我們必須找到并消除潛在的串?dāng)_問題。
分辨率在更復(fù)雜的測(cè)試中也發(fā)揮著作用，例如確保準(zhǔn)確的數(shù)字觸發(fā)、交叉檢測(cè)和信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定。
什么時(shí)候采樣率比分辨率更重要？
雖然分辨率在許多應(yīng)用中都至關(guān)重要，但當(dāng)然也存在更高的帶寬和采樣率比分辨率更重要的情況。在我們自己的設(shè)計(jì)中，這包括查看數(shù)字信號(hào)瞬變和測(cè)量寬帶寬電路的波特圖。話雖如此，也有很多情況下兩者都很重要，軟件增強(qiáng)的分辨率可以提供幫助，例如評(píng)估信號(hào)頻譜和測(cè)量 THD、SNR 和 SFDR 等參數(shù)。在理想情況下，我們將擁有高分辨率、高帶寬和高采樣率的設(shè)備，同時(shí)保持價(jià)格低廉。
軟件增強(qiáng)的分辨率具有可比性嗎？
鑒于分辨率的重要性以及基于軟件的儀器（例如我們的儀器）的普及，軟件增強(qiáng)分辨率已變得越來越普遍，但它能像有機(jī)硬件分辨率一樣可靠嗎？答案是：視情況而定。
直方圖清楚地顯示了額外兩位分辨率可能造成的差異。
軟件增強(qiáng)分辨率涉及以特定方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均以獲得額外的分辨率位。這允許暫時(shí)犧牲采樣率，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)情況在軟件中啟用或禁用。例如，Digilent 的 ADP3450 具有 14 位分辨率，可以通過軟件增強(qiáng)到 16 位。但是，盡管軟件增強(qiáng)分辨率（通過濾波或插值方案）可以幫助平滑信號(hào)，給人一種分辨率更高、噪聲更低的印象，但它無法區(qū)分信號(hào)和噪聲，并且會(huì)掩蓋感興趣的小信號(hào)。因此，在分辨率至關(guān)重要的情況下，硬件分辨率應(yīng)優(yōu)先于軟件增強(qiáng)。
具有合理帶寬和采樣率的最佳價(jià)值范圍是多少？
作為經(jīng)濟(jì)高效的高分辨率儀器的一個(gè)例子，Analog Discovery 2 和新推出的Analog Discovery Pro 系列具有高分辨率混合信號(hào)示波器，其帶寬和采樣率適合大多數(shù)應(yīng)用。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注該系列未來的新增產(chǎn)品，它們的速度將繼續(xù)提高。
由于您通常必須在采樣率和分辨率之間進(jìn)行選擇作為 ADC 和 DAC 的功能，因此這常常引出一個(gè)問題：為什么選擇在示波器上優(yōu)先考慮高分辨率？
示波器中的信號(hào)完整性和降噪
信號(hào)完整性和降噪對(duì)于敏感設(shè)計(jì)至關(guān)重要，分辨率在確保您看到的信號(hào)來自手頭的電路而不是您正在使用的儀器的偽像方面起著重要作用。當(dāng)采集大信號(hào)并尋找可能對(duì)設(shè)計(jì)的最終用途產(chǎn)生負(fù)面影響的較小分量信號(hào)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。例如，使用 8 位分辨率，只能檢測(cè)到 5 V 信號(hào)上約 19.53 mV 的差異。像 ADP3450 這樣的 14 位示波器可以檢測(cè)到相同5 V 信號(hào)上約 300 μV 的更小變化，從而更容易檢測(cè)和調(diào)試敏感設(shè)計(jì)的問題。
通過比較上圖和下圖屏幕截圖中心的磁滯圖，可以最明顯地看出此示例信號(hào)的分辨率差異。
在我們?cè)O(shè)計(jì)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及 FPGA 開發(fā)板的工作中，高分辨率通常起著至關(guān)重要的作用。以下是一些示例：
在驗(yàn)證 FPGA 板上的電源時(shí)，尋找并能夠看到紋波、負(fù)載瞬變和環(huán)路頻率響應(yīng)至關(guān)重要。這種情況發(fā)生在自然噪聲環(huán)境中的小信號(hào)中，規(guī)格非常嚴(yán)格，并且必須具有高分辨率。
在測(cè)試和測(cè)量方面，使用示波器儀器驗(yàn)證產(chǎn)品的一部分是評(píng)估通道之間的串?dāng)_，并確保串?dāng)_不存在或可以忽略不計(jì)，以便每個(gè)通道上的信號(hào)測(cè)量不會(huì)相互影響。由于分辨率限制了本底噪聲，如果沒有高分辨率，我們?cè)诓榭葱盘?hào)的頻譜視圖時(shí)將無法看到任何微小的串?dāng)_分量。為了確保我們的儀器不會(huì)引入噪聲和扭曲信號(hào)，我們必須找到并消除潛在的串?dāng)_問題。
分辨率在更復(fù)雜的測(cè)試中也發(fā)揮著作用，例如確保準(zhǔn)確的數(shù)字觸發(fā)、交叉檢測(cè)和信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定。
什么時(shí)候采樣率比分辨率更重要？
雖然分辨率在許多應(yīng)用中都至關(guān)重要，但當(dāng)然也存在更高的帶寬和采樣率比分辨率更重要的情況。在我們自己的設(shè)計(jì)中，這包括查看數(shù)字信號(hào)瞬變和測(cè)量寬帶寬電路的波特圖。話雖如此，也有很多情況下兩者都很重要，軟件增強(qiáng)的分辨率可以提供幫助，例如評(píng)估信號(hào)頻譜和測(cè)量 THD、SNR 和 SFDR 等參數(shù)。在理想情況下，我們將擁有高分辨率、高帶寬和高采樣率的設(shè)備，同時(shí)保持價(jià)格低廉。
軟件增強(qiáng)的分辨率具有可比性嗎？
鑒于分辨率的重要性以及基于軟件的儀器（例如我們的儀器）的普及，軟件增強(qiáng)分辨率已變得越來越普遍，但它能像有機(jī)硬件分辨率一樣可靠嗎？答案是：視情況而定。
直方圖清楚地顯示了額外兩位分辨率可能造成的差異。
軟件增強(qiáng)分辨率涉及以特定方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均以獲得額外的分辨率位。這允許暫時(shí)犧牲采樣率，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)情況在軟件中啟用或禁用。例如，Digilent 的 ADP3450 具有 14 位分辨率，可以通過軟件增強(qiáng)到 16 位。但是，盡管軟件增強(qiáng)分辨率（通過濾波或插值方案）可以幫助平滑信號(hào)，給人一種分辨率更高、噪聲更低的印象，但它無法區(qū)分信號(hào)和噪聲，并且會(huì)掩蓋感興趣的小信號(hào)。因此，在分辨率至關(guān)重要的情況下，硬件分辨率應(yīng)優(yōu)先于軟件增強(qiáng)。
具有合理帶寬和采樣率的最佳價(jià)值范圍是多少？
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