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。無論是對先進電子設(shè)備執(zhí)行質(zhì)量和性能檢測，還是對復(fù)雜系統(tǒng)進行調(diào)試，測量精度的高低都直接關(guān)系到項目的成功與否。這時，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際被測信號電壓之間的一致性。而要實現(xiàn)高垂直精度，關(guān)鍵在于兩個因素：一是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的位數(shù)，二是示波器的本底噪聲。

1 ADC位數(shù)的作用

示波器的橫軸代表時間基準(zhǔn)，通常以s/div來表示，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，這對于直觀地顯示電信號的波形和特征以及實現(xiàn)精確的測量都至關(guān)重要。簡而言之，示波器屏幕上讀取的電壓值與實際信號電壓越接近，就意味著其垂直精度越高。

為了獲得最佳的讀數(shù)結(jié)果，工程師們需要依賴那些擁有最高ADC位數(shù)以及最低本底噪聲的示波器。更高的ADC位數(shù)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(zhǔn)確地捕捉和顯示信號的細(xì)節(jié)，將可能影響測量結(jié)果的任何失真或噪聲降至最低。

詳細(xì)來說，一個具有8位ADC的示波器，能夠?qū)⒛M輸入信號編碼為256個不同的等級（28=256）。每當(dāng)ADC的位數(shù)增加一位，代表其可以轉(zhuǎn)換成的信號等級數(shù)量就增加一倍。因此，9位ADC的轉(zhuǎn)換精度是512個信號等級（29=512），10 位ADC 的轉(zhuǎn)換精度則是1,024個信號等級（210=1,024），依此類推。配備14位ADC 的示波器，可將模擬輸入信號編碼為16,384個等級（214=16,384）。這一分辨率是常規(guī)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(xì)的細(xì)節(jié)信息，進而提供更準(zhǔn)確的波形顯示。

當(dāng)這一原理在設(shè)定為每格100mV垂直刻度、且擁有8個垂直分格的示波器上應(yīng)用時，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，這800mV的全屏范圍被劃分為256個等級，因此意味著每個等級的分辨率約為3.125mV。相比之下，當(dāng)采用14位ADC時，相同的800mV顯示范圍則能被精細(xì)地分割成16,384個等級，使得每個等級的分辨率高達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(xì)微的變化，并進行精確測量。

圖1 隨著ADC位數(shù)的增加，轉(zhuǎn)換的信號等級數(shù)量也隨之增加。這就帶來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(shù)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舉足輕重的角色。這里所說的本底噪聲，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，進而引發(fā)讀數(shù)的不準(zhǔn)確。

包括示波器在內(nèi)的所有電子設(shè)備都會產(chǎn)生一定程度的噪聲。不過，是德科技的目標(biāo)是盡可能地減少噪音干擾。較低的本底噪聲意味著示波器對信號的影響會減少，從而使測量結(jié)果更加精確。此外，值得注意的是，小于該本底噪聲的信號細(xì)節(jié)將無法被用戶觀測到。這一點在測量微小電壓時顯得尤為重要，因為在這種情況下，即使是很小的噪聲也會導(dǎo)致讀數(shù)出現(xiàn)顯著偏差。

例如，圖2展示了一臺示波器正在對53μV的信號進行測量。在設(shè)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100μV，因此這個信號就很可能會被噪聲所掩蓋，從而無法被觀測到。

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被淹沒而無法被觀測到

3   集高ADC位數(shù)和低本底噪聲于一身

將高位數(shù)的ADC與低本底噪聲相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的垂直精度。這樣一來，示波器便能夠最準(zhǔn)確地捕捉和顯示信號，使工程師能夠進行精確的測量，并有效避免可能導(dǎo)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(diào)試以及表征設(shè)計而言至關(guān)重要。此外，示波器結(jié)果不準(zhǔn)確可能會延長開發(fā)周期、影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)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解和最高準(zhǔn)確性的工具和技術(shù)。

4   總結(jié)

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(yīng)該選擇那些ADC位數(shù)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(zhǔn)確地捕捉和顯示信號，最大限度地減少可能影響測量結(jié)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(jié)省時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(jié)果充滿信心，進而提高調(diào)試效率。

（本文來源于《EPPW》202411）