是德示波器ADC采樣后數(shù)字信號(hào)突變的成因分析

在高速數(shù)字測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，示波器是捕捉信號(hào)瞬態(tài)特性、分析信號(hào)完整性的核心工具。其核心性能指標(biāo)——垂直分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比（SNR）——直接取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣精度與前端電路設(shè)計(jì)。然而，在實(shí)際測(cè)試中，用戶常發(fā)現(xiàn)ADC采樣后的數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)突變或非預(yù)期波動(dòng)，這一現(xiàn)象可能源于硬件限制、噪聲干擾或設(shè)置不當(dāng)。

一、ADC在示波器中的作用與性能指標(biāo)

1. ADC的核心功能

ADC（Analog-to-Digital Converter）將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，其性能決定了示波器的垂直分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC的采樣率需至少為信號(hào)帶寬的2倍，而分辨率（位數(shù)）則決定了信號(hào)量化的精細(xì)程度。

2. 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

分辨率（n位）：ADC的量化電平數(shù)為2n。例如：

8位ADC：256級(jí)量化（每級(jí)代表滿量程的1/256）。

12位ADC：4096級(jí)量化（精度提升16倍）。

信噪比（SNR）：反映ADC對(duì)噪聲的抑制能力，SNR越高，有效分辨率越接近理論值。

有效位數(shù)（ENOB）：實(shí)際可用分辨率，受噪聲、失真等因素影響，ENOB=6.02SNR?1.76。

3. 摩爾定律對(duì)ADC性能的影響

自1965年戈登·摩爾提出摩爾定律以來，IC晶體管密度的指數(shù)增長推動(dòng)了ADC性能的飛躍。現(xiàn)代高速ADC已實(shí)現(xiàn)：

采樣率：從MHz級(jí)提升至數(shù)十GHz（如Keysight UXR系列示波器支持110 GHz實(shí)時(shí)帶寬）。

分辨率：從8位向12位、14位演進(jìn)（如Keysight S系列示波器采用10位ADC）。

二、示波器ADC采樣信號(hào)突變的成因分析

1. 量化誤差與分辨率限制

現(xiàn)象：信號(hào)波形出現(xiàn)階梯狀突變或細(xì)節(jié)丟失。
原因：

低分辨率ADC：8位ADC的量化步進(jìn)較大（如滿量程800 mV時(shí)，步進(jìn)為3.125 mV/級(jí)），導(dǎo)致小信號(hào)被“淹沒”在量化噪聲中。

SNR不足：若前端噪聲超過ADC的理論分辨率，實(shí)際有效位數(shù)（ENOB）降低。例如，12位ADC在噪聲干擾下可能僅發(fā)揮10位性能。

案例對(duì)比：

8位示波器：量化步進(jìn)3.125 mV/級(jí)，難以捕捉微伏級(jí)信號(hào)變化。

10位示波器（如Keysight S系列）：量化步進(jìn)0.156 mV/級(jí)（滿量程16 mV時(shí)），可分辨更小信號(hào)細(xì)節(jié)。

2. 垂直量程設(shè)置不當(dāng)

現(xiàn)象：波形未占滿屏幕時(shí)，分辨率顯著下降。
原理：
ADC的分辨率利用程度與垂直量程設(shè)置密切相關(guān)。若波形僅占屏幕的1/4，實(shí)際有效位數(shù)可能從8位降至6位（分辨率損失與波形占屏比例的平方根成反比）。

優(yōu)化方案：

滿屏顯示：調(diào)整垂直刻度使波形盡可能占滿屏幕（如Keysight示波器推薦使用最靈敏量程）。

避免軟件放大：傳統(tǒng)示波器在垂直刻度低于10 mV/格時(shí)可能啟用軟件放大，導(dǎo)致分辨率不升反降（如8位示波器在7 mV/格時(shí)分辨率僅218 μV/級(jí)，而10位示波器在2 mV/格時(shí)可達(dá)15.6 μV/級(jí)）。

3. 前端噪聲干擾

現(xiàn)象：低電平信號(hào)被噪聲覆蓋，導(dǎo)致ADC采樣值波動(dòng)。
來源：

探頭噪聲：無源探頭帶寬不足或接地不良引入高頻噪聲。

示波器前端電路：放大器、ADC驅(qū)動(dòng)電路的熱噪聲和電源噪聲。

環(huán)境干擾：電磁輻射（EMI）通過示波器外殼或探頭耦合至信號(hào)路徑。

解決方案：

使用低噪聲探頭：如Keysight N7020A有源探頭（噪聲密度≤0.9 nV/√Hz）。

啟用硬件濾波：利用示波器的帶寬限制功能（如20 MHz低通濾波）抑制高頻噪聲。

優(yōu)化接地：縮短探頭接地線長度，采用接地彈簧或接地環(huán)。

4. ADC非線性誤差

現(xiàn)象：信號(hào)幅度較大時(shí)出現(xiàn)失真或諧波干擾。
原因：

積分非線性（INL）：ADC實(shí)際傳輸特性與理想直線的偏差，導(dǎo)致量化誤差分布不均。

微分非線性（DNL）：相鄰量化電平的寬度差異，可能引發(fā)“缺失碼”問題。

應(yīng)對(duì)措施：

選擇高線性度ADC的示波器（如Keysight Infiniium UXR系列，INL≤±0.5 LSB）。

定期校準(zhǔn)示波器，補(bǔ)償ADC的非線性誤差。

三、是德示波器分辨率優(yōu)化實(shí)踐

1. 硬件架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

Keysight示波器通過以下設(shè)計(jì)提升ADC采樣質(zhì)量：

高分辨率ADC：S系列采用10位ADC，UXR系列支持12位垂直分辨率（需啟用高分辨率模式）。

低噪聲前端：采用Keysight ProBus架構(gòu)，將前端噪聲降低至傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/3。

硬件量化電平擴(kuò)展：通過專利技術(shù)（如HyperView）在軟件放大時(shí)保留更多有效位數(shù)。

2. 操作建議

小信號(hào)測(cè)試：

使用10位或12位示波器（如Keysight DSOX1204G）。

設(shè)置垂直刻度為2 mV/格（S系列）或1 mV/格（UXR系列），以充分利用硬件分辨率。

高速信號(hào)測(cè)試：

選擇采樣率≥5倍信號(hào)帶寬的示波器（如UXR01104G支持110 GHz實(shí)時(shí)帶寬）。

啟用硬件觸發(fā)和深度存儲(chǔ)（如1 Gpts），避免軟件插值導(dǎo)致的信號(hào)失真。

四、總結(jié)與擴(kuò)展應(yīng)用

ADC采樣信號(hào)突變的根本原因包括量化誤差、垂直量程設(shè)置不當(dāng)、前端噪聲和非線性誤差。

是德示波器通過高分辨率ADC、低噪聲前端和智能量化技術(shù)顯著提升了信號(hào)保真度。

通過合理選擇示波器型號(hào)、優(yōu)化測(cè)試設(shè)置并理解ADC的底層原理，工程師可有效避免采樣信號(hào)突變，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性。