示波器的垂直分辨率

文章来源：北京凡实测控技术有限公司 网站：http://www.fanshicekong.com示波器的垂直分辨率
 数字示波器的垂直分辨率指的是模数转换器的垂直分辨率，用来衡量示波器将输入电压转化为数字值的***程度，通常用A/D的位数来表示.
梳理目前市面上各种品牌和型号示波器，在ADC 采样后改善分辨率的方法可以归纳为三种信号处理算法： 平均，线性相位FIR 滤波、分组平均。
1.平均 （***erage ）
如果信号是周期可重复的，示波器每采集n 段重复波形，把它们按触发位置对齐，相加后除以n，得到1 段平均后的波形，
常用算法原理和特点
梳理目前市面上各种品牌和型号示波器，在ADC 采样后改善分辨率的方法可以归纳为三种信号处理算法： 平均，线性相位FIR 滤波、分组平均。
1.平均 （***erage ）
如果信号是周期可重复的，示波器每采集n 段重复波形，把它们按触发位置对齐，相加后除以n，得到1 段平均后的波形，
触发位置抖动的结果是每段波形被错位相加，平均后波形失真。当信号本身的噪声比较大时，失真现象更明显。
2.线性相位FIR 滤波（Linear Phase FIR Filter）
噪声在频谱上通常分布得很宽。可以采用数字滤波的方法***信号带宽以外的噪声，从而提高信噪比、 改善垂直分辨率。一种常用滤波器类型为线性相位 FIR 滤波。在力科示波器中通过“增强分辨率”（ERES, Enhanced  Resolution）功能可以打开这个滤波器。由于是数字滤波，被测信号不再局限于周期信号。在 ERES 功能里能够直接选择增强多少bit 分辨率，其实就是选择滤波器的带宽。带宽越小，信噪比改善得越多，增强 的分辨率位数就越多。下表是增强的分辨率位数和滤波器带宽的关系。
3.分组平均（Group ***erage ）
这种算法在很多示波器里被称为高分辨率采样模式 （HiRES，High Resolution Acquisition Mode ）。一些示波器也称其为线性平均（Linear   ***erage ），或者过采样和线性降噪技术 （Hypersampling & Linear  Noise Reduction ）。无论市场宣传的名称是什么，本质还是对 ADC  采样后数据进行信号处理。这种算法的好处是也 可以用于非周期信号。示波器以***大采样率采集波形，将一段波形的每n 个采样点分成1 组，对1 组中n个采样点取平均得到 1 个数据点存入采集存储器中。***终在示波器上显示的波形是样点分组平均后的数据，样点数量被抽取了n 倍，
分组平均本质上也是一种数字滤波。样点抽取倍数越高，分辨率提升得越多。据某款示波器规格，当抽取倍数为16 时，可由8bit 提升到12bit。
同样，分组平均提升分辨率的代价是性能受损和波形失真：
 1）高采样率和高垂直分辨率不可兼得。比如在8bit、40GSa/s  的示波器上要实现12bit 分辨率，处理后 的采样率只能到2.5GSa/s 。要使处理后的采样率达到5GSa/s，分辨率只能提升到11bit。
2 ）示波器带宽和垂直分辨率也不可兼得。在上一条例子中，要实现 12bit 分辨率，带宽从4GHz 下降到500MHz。
 3 ）工作在HiRes 模式下的示波器，使用者不能直接选择增强多少bit 分辨率，它随示波器的时间刻度动态变化。使用者不知道当前增强了多少分辨率、带宽下降到多少。
4 ）分组平均算法对***高斯白噪声有效果，而对于示波器ADC  的INL  （积分非线性）引起的噪声没有***作用。
5 ）信号比较陡峭的边沿在HiRES 模式下，容易欠采样。例如信号边沿原本有16 个采样点，为了提高4bit分辨率，需要每 16 个点取平均。结果边沿只剩下 1 个样点。不少示波器以sin(x)/x  方式做内插，在欠采样的情况下会导致吉布斯现象，使本来正常的边沿出现过冲、振铃：
6 ）分组平均也会显著降低示波器波形更新率。
 7 ）分组平均可以有条件地提升分辨率，却不能改善示波器的准确度。例如具有硬件12bit ADC 示波器的直流增益精度可以达到&plu***n;0.5% 。采用过采样和线性降噪技术提升到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：&plu***n;2% 文章来源：北京凡实测控技术有限公司