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臺式示波器時，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？
示波器中的信號完整性和降噪
信號完整性和降噪對于敏感設(shè)計(jì)至關(guān)重要，分辨率在確保您看到的信號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)采集大信號并尋找可能對設(shè)計(jì)的最終用途產(chǎn)生負(fù)面影響的較小分量信號時，這一點(diǎn)尤其重要。例如，使用 8 位分辨率，只能檢測到 5 V 信號上約 19.53 mV 的差異。像 ADP3450 這樣的 14 位示波器可以檢測到相同5 V 信號上約 300 μV 的更小變化，從而更容易檢測和調(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的分辨率差異。
在我們設(shè)計(jì)測試和測量設(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，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)境中的小信號中，規(guī)格非常嚴(yán)格，并且必須具有高分辨率。
在測試和測量方面，使用示波器儀器驗(yàn)證產(chǎn)品的一部分是評估通道之間的串?dāng)_，并確保串?dāng)_不存在或可以忽略不計(jì)，以便每個通道上的信號測量不會相互影響。由于分辨率限制了本底噪聲，如果沒有高分辨率，我們在查看信號的頻譜視圖時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引入噪聲和扭曲信號，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)、交叉檢測和信號的時間穩(wěn)定。
什么時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)字信號瞬變和測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，例如評估信號頻譜和測量 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，同時保持價格低廉。
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信號進(jìn)行平均以獲得額外的分辨率位。這允許暫時犧牲采樣率，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，給人一種分辨率更高、噪聲更低的印象，但它無法區(qū)分信號和噪聲，并且會掩蓋感興趣的小信號。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值范圍是多少？
作為經(jīng)濟(jì)高效的高分辨率儀器的一個例子，Analog Discovery 2 和新推出的Analog Discovery Pro 系列具有高分辨率混合信號示波器，其帶寬和采樣率適合大多數(shù)應(yīng)用。請繼續(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？
示波器中的信號完整性和降噪
信號完整性和降噪對于敏感設(shè)計(jì)至關(guān)重要，分辨率在確保您看到的信號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)采集大信號并尋找可能對設(shè)計(jì)的最終用途產(chǎn)生負(fù)面影響的較小分量信號時，這一點(diǎn)尤其重要。例如，使用 8 位分辨率，只能檢測到 5 V 信號上約 19.53 mV 的差異。像 ADP3450 這樣的 14 位示波器可以檢測到相同5 V 信號上約 300 μV 的更小變化，從而更容易檢測和調(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的分辨率差異。
在我們設(shè)計(jì)測試和測量設(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，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)境中的小信號中，規(guī)格非常嚴(yán)格，并且必須具有高分辨率。
在測試和測量方面，使用示波器儀器驗(yàn)證產(chǎn)品的一部分是評估通道之間的串?dāng)_，并確保串?dāng)_不存在或可以忽略不計(jì)，以便每個通道上的信號測量不會相互影響。由于分辨率限制了本底噪聲，如果沒有高分辨率，我們在查看信號的頻譜視圖時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引入噪聲和扭曲信號，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)、交叉檢測和信號的時間穩(wěn)定。
什么時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)字信號瞬變和測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，例如評估信號頻譜和測量 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，同時保持價格低廉。
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信號進(jìn)行平均以獲得額外的分辨率位。這允許暫時犧牲采樣率，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，給人一種分辨率更高、噪聲更低的印象，但它無法區(qū)分信號和噪聲，并且會掩蓋感興趣的小信號。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值范圍是多少？
作為經(jīng)濟(jì)高效的高分辨率儀器的一個例子，Analog Discovery 2 和新推出的Analog Discovery Pro 系列具有高分辨率混合信號示波器，其帶寬和采樣率適合大多數(shù)應(yīng)用。請繼續(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。
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