HRO系列之三——高分辨率示波器WaveRunner HRO 6Zi

實時示波器由于采樣率高，ADC位數(shù)很難提高。在需要高分辨率測量的場合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)。為滿足高分辨率的測試需求，美國力科公司研發(fā)了新型實時示波器WaveRunner HRO 6Zi，簡稱HRO (High Resolution Oscilloscope)。其ADC位數(shù)到達12bit，同時具備較高的采樣率 - 2GS/s。存儲深度（記錄長度）可以到達每通道256M采樣點。HRO示波器高分辨率、高采樣率和長存儲特性使其在多數(shù)測試場合中都能替代數(shù)據(jù)采集卡。當然，它也具備示波器擅長的測量、分析和調(diào)試功能，易用性更好。

ADC位數(shù)對垂直分辨率有多大影響？我們來看下圖，這是用8bit示波器和12bit示波器分別對同一個信號采集后，對其中部分波形放大顯示的結(jié)果。

可以看出8bit示波器采集的波形出現(xiàn)臺階狀現(xiàn)象，這是因為信號的微小變化和ADC量化誤差相當，信號的微小變化淹沒在了量化噪聲中?？赡芎芏喙こ處熓褂檬静ㄆ鲿r并沒有注意到這個現(xiàn)象。好比兩臺尺寸相同、分辨率不一樣的電視機，站在5米外觀看可能看不出差別，靠近了觀察就能發(fā)現(xiàn)低分辨率電視機的像素點更粗、馬賽克現(xiàn)象更明顯。那么把示波器捕獲的信號放大、觀察細節(jié)，也就有類似的效果。

垂直分辨率還和示波器本身的噪聲和失真水平有關。打個比方，一臺高分辨率的電視機，如果它內(nèi)部電路噪聲很大，導致屏幕出現(xiàn)很多雪花點。即便是高清片源也會被這些雪花點給模糊了。同樣道理，示波器ADC能夠分辨的最小電壓也可能淹沒在示波器的噪聲中。如何評估示波器的噪聲水平呢？有的示波器廠家喜歡用基底噪聲（noise floor）：示波器不輸入信號，測量基線的噪聲大小。這種指標只能作為參考。因為沒有人使用示波器時不輸入信號。有無輸入信號，示波器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)可能差別很大。下面兩圖是某示波器沒有輸入信號和輸入一個高信噪比的5GHz正弦波的對比圖，并分別對時域波形做FFT，觀察頻域。在沒有信號輸入時，頻域噪底比較平坦，而輸入正弦波后，除了信號基頻和諧波分量以外，出現(xiàn)不少雜散，而且噪底的形狀也不再平坦。因此基線噪聲不是評估示波器噪聲水平的合理指標。

更科學的指標是信號與噪聲失真比（Signal to Noise and Distortion Ratio ，SINAD），以及有效位數(shù)（Effective Number Of Bits，ENOB）。SINAD的測量需要輸入一定頻率一定幅度的高信噪比正弦波給示波器，計算信號功率和噪聲失真功率之比。ENOB在數(shù)學上可以通過SINAD計算得到。SINAD、ENOB與輸入信號頻率、幅度的大小以及示波器的工作狀態(tài)都有關，更詳細的說明請參考：
http://cdn.lecroy.com/files/appnotes/computation_of_effective_no_bits.pdf