【導(dǎo)讀】提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計者的目標(biāo),因?yàn)楣こ處熜枰獪y量更精細(xì)的信號細(xì)節(jié)。但是,想獲得更高垂直分辨率并不只理論上增加示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的位數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的。泰克4、5和6系列示波器采用全新的12位ADC和兩種新型低噪聲放大器,不僅在理論上提高分辨率,在實(shí)用中垂直分辨率性能也大大提升。這些顛覆式的產(chǎn)品擁有高清顯示器和快速波形更新速率,并且實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率來查看信號的細(xì)節(jié)。
提高垂直分辨率一直是示波器設(shè)計者的目標(biāo),因?yàn)楣こ處熜枰獪y量更精細(xì)的信號細(xì)節(jié)。但是,想獲得更高垂直分辨率并不只理論上增加示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的位數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的。泰克4、5和6系列示波器采用全新的12位ADC和兩種新型低噪聲放大器,不僅在理論上提高分辨率,在實(shí)用中垂直分辨率性能也大大提升。這些顛覆式的產(chǎn)品擁有高清顯示器和快速波形更新速率,并且實(shí)現(xiàn)更高的垂直分辨率來查看信號的細(xì)節(jié)。
本文重點(diǎn)介紹泰克4、5和6系列MSO設(shè)計者實(shí)現(xiàn)更高分辨率采集細(xì)節(jié)所采用的技術(shù),另外還介紹了有效位數(shù)(ENOB)指標(biāo),以及這一重要性能指標(biāo)的作用和局限性。
先來看一個電源開關(guān)實(shí)測對比
在這個例子中,我們想要觀察一個相當(dāng)大的開關(guān)信號上的周期性振蕩。開關(guān)電路在每個周期后會產(chǎn)生振蕩,我們的目標(biāo)是檢查這些振蕩。但與開關(guān)信號的幅度相比,振蕩相對較小。圖1顯示了使用不同垂直分辨率示波器進(jìn)行相同測試的結(jié)果。為了看到整個開關(guān)周期,垂直刻度必須設(shè)置為大約1V/分以將信號適應(yīng)顯示的10個刻度。
圖1. 使用8位MDO4000C(左側(cè))和12位4系列MSO(右側(cè))示波器放大顯示一個切換信號
測試結(jié)果:圖2和圖3顯示了兩臺示波器在相同條件下的測試結(jié)果:(采樣率為250MSa/s,采樣點(diǎn)數(shù)為10k,垂至刻度為1V)。兩臺儀器都使用了相同的IsoVu光學(xué)隔離電壓探頭,以消除其它探頭可能引入的噪聲??梢钥吹剑?位示波器由于量化級數(shù)小而導(dǎo)致在高放大倍數(shù)下的結(jié)果出現(xiàn)了明顯的鋸齒狀,使得分析振蕩變得困難。
圖2. 顯示了MDO4000C示波器的諧振現(xiàn)象(分辨率為8位)
然而,12位示波器在相似的放大倍數(shù)下依然可以清晰地顯示振蕩細(xì)節(jié)。
圖3. 顯示了新的4系列MSO示波器的諧振現(xiàn)象(分辨率為12位)
新的4、5和6系列MSO示波器提供12位垂直分辨率,能夠看到更多信號細(xì)節(jié)并進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。
需要更高的垂直分辨率
在數(shù)字示波器對信號采樣時,ADC會把信號分成多個垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)(有時稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換電平或量化電平或最低有效位(LSB))。每個二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示一個離散的垂直電壓等級,二進(jìn)制數(shù)據(jù)越多,分辨率越高。這些模數(shù)轉(zhuǎn)換等級在ADC中表示為2N,其中N表示位數(shù)。
一般正弦波(圖4a)視垂直分辨率會表現(xiàn)出很大的差異。圖4b是使用2位ADC轉(zhuǎn)換后的正弦波,22=4個模數(shù)轉(zhuǎn)換電平。數(shù)據(jù)可以存儲在4個不同的垂直二進(jìn)制數(shù)據(jù)中:00、01、10或11。4位ADC有16個模數(shù)轉(zhuǎn)換等級,作為4位數(shù)據(jù)存儲(圖4c)。因此,模數(shù)轉(zhuǎn)換等級越多,分辨率越高,數(shù)字示波器表示的信號越接近原始模擬信號。
更高的垂直分辨率提供了兩個重要優(yōu)勢:
清楚地查看信號,并能夠放大信號,查看信號的細(xì)節(jié)。
可以更精確地測量電壓,這在電源設(shè)計驗(yàn)證中尤其關(guān)鍵。
傳統(tǒng)數(shù)字示波器一直基于8位ADC技術(shù),大部分工程師在設(shè)計工作中通過提高采樣率,從而改善水平分辨率。隨著時間推移,8位ADC在采樣率、噪聲性能、低失真方面都得到了優(yōu)化。但ADC本身只能提供28=256個垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級,對于需要更高垂直分辨率的應(yīng)用來說,比如電源設(shè)計,這種垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級可能太粗糙了。
全新示波器ASIC實(shí)現(xiàn)更高垂直分辨率
由于示波器采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)的垂直分辨率較以前的8位ADC采集系統(tǒng)大大提高。這主要通過在示波器中實(shí)現(xiàn)認(rèn)真規(guī)劃的ASIC設(shè)計來完成。在文中,我們將說明怎樣通過ASIC來大幅度改善分辨率:
性能更高的ADC(12位)
高清顯示處理技術(shù)
改良后的低噪聲、高增益模擬前端
硬件濾波器,消除固有噪聲
實(shí)現(xiàn)高分辨率觸發(fā)
性能更高的ADC(12位)
由于全新ASIC(TEK049)提供了四個12位逐次接近 ADCs(圖5a),TEK049 ADC的運(yùn)行速率達(dá)到了25GS/s,每臺4、5或6系列MSO可以有一個或兩個ASIC,具體視通道數(shù)量而定。
由于TEK049 ASIC內(nèi)置的是12位ADC,它們提供了4,096個垂直模數(shù)轉(zhuǎn)換等級,垂直分辨率較以前的8位ADC高出了16倍。在4和5系列MSO中,它們以3.125GS/s提供完成的12位樣點(diǎn)。在6.25GS/s時,數(shù)據(jù)通過12位ADC采集,但存儲在8位存儲內(nèi)存中,以適應(yīng)ASIC和內(nèi)存之間的最大傳送速率。在6系列MSO中,它們以12.5GS/s提供完成的12位樣點(diǎn)。在25GS/s時,數(shù)據(jù)通過12位ADC采集,但存儲在8位存儲內(nèi)存中,以適應(yīng)ASIC和內(nèi)存之間的最大傳送速率。
硬件濾波器技術(shù)改善垂直分辨率
多年來,泰克一直提供減噪技術(shù)和垂直分辨率增強(qiáng)功能,在配備8位ADC的儀器上實(shí)現(xiàn)8位以上的垂直分辨率。在本文中,我們重點(diǎn)介紹單次采集可以使用的技術(shù),而不是波形平均或等效時間采樣。
一般來說,示波器ADCs一直以最大采樣率運(yùn)行,而不管采用什么設(shè)置。然后用戶可以設(shè)置較低的采樣率,并壓縮(舍棄)樣點(diǎn)去存儲想要的記錄長度/采樣率的組合。這種模式稱為“采樣模式”,也就是扔掉多余的樣點(diǎn)。泰克一直采用稱為高分辨率或“HiRes”模式的方法,來更有效地利用“多余的”樣點(diǎn)。樣點(diǎn)會進(jìn)行平均,創(chuàng)建所需的采樣率,這個過程通常稱為“信號組平均”。每個樣點(diǎn)由更多的信息組成,提供了更好的準(zhǔn)確度,有效地提高了垂直分辨率。圖6比較了采樣模式與HiRes(信號組平均)模式。這種技術(shù)目前仍在廣泛應(yīng)用。
圖6:采樣模式與HiRes(信號串平均)模式比較。
通過使用信號組平均技術(shù),垂直分辨率的位數(shù)可以提高:
0.5 log D
其中:D是壓縮率,或最大采樣率與實(shí)際采樣率之比。
可以預(yù)測,改善垂直分辨率的能力受到系統(tǒng)固有噪聲的限制。例如,如果ADC在通過高本底噪聲的放大器 / 衰減器之后采集樣點(diǎn),那么這些點(diǎn)的準(zhǔn)確度會下降,抵消信號組平均或傳統(tǒng)“HiRes”模式實(shí)現(xiàn)的分辨率增強(qiáng)。需要指出的是,在模擬信號調(diào)節(jié)和ADC采樣相結(jié)合來優(yōu)化實(shí)時信號特點(diǎn)時,高分辨率模式才會實(shí)現(xiàn)最好的效果。
4、5和6系列MSO在信號組平均或“HiRes”方法基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步改進(jìn)。在傳統(tǒng)方法中,高頻噪聲受到帶寬相對較高的防失真濾波器限制。全新高分辨率模式(也叫High Res)利用TEK049 ASIC中的硬件,不僅執(zhí)行平均功能,還針對每種采樣率實(shí)現(xiàn)了防失真濾波器和一套獨(dú)特設(shè)計的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器,確保用戶以最高分辨率表示被測的原始信號。FIR濾波器對選定的采樣率保持最大帶寬,防止失真,在超出可用帶寬時消除噪聲能量。圖8介紹了濾波器使用方式上的差異。
圖7:與MSO/DPO5000相比,4、5和6系列MSO的濾波器功能得到明顯改善。5階和17階濾波器可以調(diào)節(jié),具體視示波器設(shè)置而定;6系列上的 FFT(觸發(fā)后)提供了探頭校正功能,確保測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
在4、5和6系列MSO上,每個濾波器的低通響應(yīng)是為全面平衡噪聲抑制和瞬態(tài)階躍響應(yīng)而設(shè)計的。磚墻濾波器可以實(shí)現(xiàn)最大的噪聲抑制效果,但不能提供最優(yōu)的瞬態(tài)響應(yīng)。
吉布斯現(xiàn)象描述了一種效應(yīng),大的頻響不連續(xù)點(diǎn)(如磚墻濾波器)會在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中導(dǎo)致振鈴和過沖/下沖,如圖9所示。因此,均衡方法必須考慮限制噪聲,而不會引起差的階躍響應(yīng)。如果沒有認(rèn)真均衡,那么示波器可能會導(dǎo)致差的噪底指標(biāo),但在波形顯示中卻不能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)信號。
圖8:High Res模式下矩形信號的階躍響應(yīng)
4、5和6系列MSO中的High Res模式一直提供了最低12位的垂直分辨率,在125MS/s或以下采樣率時提供了高達(dá)16位的垂直分辨率。
ASIC可以觸發(fā)并快速顯示高分辨率樣點(diǎn)
除查看更高分辨率的信號外,用戶必須能夠放心地捕獲事件。因此,示波器的觸發(fā)系統(tǒng)必須能夠處理更高的分辨率,以一致的方式捕獲顯示的行為。由于TEK049 ASIC實(shí)時執(zhí)行DSP濾波,使用硬件模塊而不是觸發(fā)系統(tǒng),因此觸發(fā)可以基于處理后的高分辨率樣點(diǎn)。相比之下,傳統(tǒng)HiRes(信號組平均)方法針對的是存儲的樣點(diǎn),而不是觸發(fā)信號,因此高頻瞬態(tài)信號或毛刺可能會假觸發(fā),在顯示的屏幕上看不到。
把新改進(jìn)的High Res平均和濾波與觸發(fā)緊密集成在一起,還會改善顯示模式,如FastAcq?波形快速捕獲。在這種模式下,儀器每秒可以捕獲超過500,000個波形,可以與High Res結(jié)合使用,更好地查看識別對性能至關(guān)重要的信號細(xì)節(jié),如電源設(shè)計驗(yàn)證。圖9左側(cè)顯示了FastAcq模式下兩個邊沿上有噪聲的正弦波假觸發(fā),右側(cè)顯示了打開High Res時的FastAcq信號。右側(cè)正在觸發(fā)濾波后的上升沿。
圖9:FastAcq獨(dú)立于觸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用信號組平均功能,出現(xiàn)假觸發(fā)(左)。FastAcq采用新的High Res方法,濾波觸發(fā)(右)。
分辨率離開準(zhǔn)確度是沒有意義的
如果儀器的前端有噪聲或容易發(fā)生失真,或者如果其采樣率發(fā)生時間間隔誤差,那么分辨率再高也是沒有意義的。為了量化有意義的分辨率,除考慮ADC中的位數(shù)外,還必須考慮失真和抖動。為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo),電子行業(yè)發(fā)明了“有效位數(shù)”(ENOB)的概念,來考察由于噪聲、失真、插補(bǔ)錯誤和采樣抖動導(dǎo)致的誤差。
什么是有效位數(shù)(ENOB)?
ENOB表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器或示波器提供的等效實(shí)用位數(shù),其中考慮了儀器噪聲、諧波失真、線性度和采樣抖動。它輸入質(zhì)量非常高的信號,然后把模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出與該輸入進(jìn)行對比,來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。泰克采用 IEEE 模數(shù)轉(zhuǎn)換波形記錄儀標(biāo)準(zhǔn)(IEEE std. 1057)規(guī)定的方法。由于上述噪聲和失真,所以ENOB一直低于ADC中的位數(shù)。一般來說,優(yōu)質(zhì)8位ADC示波器的ENOB在4位和6位之間,具體取決于選擇的帶寬和垂直標(biāo)度。擁有10位或12位ADCs 的高分辨率示波器的ENOB一般在7位和9位之間。由于ENOB考慮的不只是理論ADC分辨率,所以它是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)際分辨率的更好的指標(biāo)。
盡管ENOB是確定模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)準(zhǔn)確度的一個重要因素,但它并不是比較測量質(zhì)量的萬能指標(biāo)。它不包括DC偏置、增益、相位和頻率誤差。必須單獨(dú)考慮這些誤差,例如,如果進(jìn)行的測量影響頻率性能的準(zhǔn)確度,那么更好的指標(biāo)可能是誤差矢量幅度(EVM)。ENOB可能會隱藏示波器上頻響或平坦度差的問題。
為實(shí)現(xiàn)更高的ENOB,4、5和6系列MSO示波器采用了本白皮書前面重點(diǎn)介紹的增強(qiáng)功能:
性能更高的ADC(12位)
高清顯示處理技術(shù)
改良后的低噪聲、高增益模擬前端
硬件濾波器,消除固有噪聲
實(shí)現(xiàn)高分辨率觸發(fā)
為實(shí)現(xiàn)更高的ENOB,圖10對比了來自1.5V DDR3電源的測量截圖。左側(cè)是6位ENOB的傳統(tǒng)8位示波器捕獲的DDR3電源測量截圖。電源似乎有明顯的噪聲和部分顯著的周期性電壓尖峰。右側(cè)顯示的是同一電源的測量截圖,但是使用噪聲更低、7位以上更好ENOB的高分辨率示波器捕獲的。注意與前面的示波器測量相比,基準(zhǔn)噪聲大大降低。顯著的周期性尖端在幅度上的一致性也大大提高。使用ENOB更高的示波器,有助于更快、更簡便地識別問題。在本例中,來自1.5V降壓調(diào)節(jié)器的1MHz開關(guān)噪聲是問題根源。
圖11:8位示波器(左)和12位示波器(右)DDR3電源比較。
總結(jié)
示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號細(xì)節(jié)。但是,提供這種分辨率并不能只靠增加ADC的位數(shù)。4、5和6系列MSO采用多角度方法,不僅實(shí)現(xiàn)了更高的ADC分辨率,還采用數(shù)字信號處理、觸發(fā)系統(tǒng)集成、更高的ENOB和低噪聲模擬前端,從而有效地提高了分辨率。
4、5和6系列MSO性能與上一代儀器比較如下:
了解全新4系列B MSO更多信息,https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/4-series-mso。
關(guān)于泰克科技
泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創(chuàng)新能力。70多年來,泰克一直走在數(shù)字時代前沿。
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