泰克 4、5 和 6 系 列示波器提高垂直分辨率改善測量精度

提高垂直分辨率一直是示波器設計者的目標，因為工程師需要測量更精細的信號細節。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轉換器（ADC）的位數就能實現的。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，在實用中垂 直分辨率性能大大提升。這些顛覆式的產品擁有高清顯示器和快速波形更新速率，并且實現更高的 垂直分辨率來查看信號的細節。

本文重點介紹泰克 4、5 和 6 系列 MSO 設計者實現更高分辨率采集細節所采用的技術，另外還介紹了有效位數（ENOB）指標，以及這一重要性能指標的作用和局限性。

需要更高的垂直分辨率

在數字示波器對信號采樣時，ADC 會把信號分成多個垂直二進制數據（有時稱為模數轉換電平或量化電平或最低有 效位（LSB））。每個二進制數據表示一個離散的垂直電壓等級，二進制數據越多，分辨率越高。這些模數轉換等級 在 ADC 中表示為 2N ，其中 N 表示位數。一般正弦波（圖 2a）視垂直分辨率會表現出很大的差異。圖 2b 是使用 2 位 ADC 轉換后的正弦波，22=4 個模數 轉換電平。數據可以存儲在 4 個不同的垂直二進制數據中：00、01、10 或 11。4 位 ADC 有 16 個模數轉換等級， 作為 4 位數據存儲（圖 2c）。因此，模數轉換等級越多，分辨率越高，數字示波器表示的信號越接近原始模擬信號。

圖 2a：模擬信號

圖 2b：2 位模數轉換器

圖 2c：4 位模數轉換器

更高的垂直分辨率提供了兩個重要優勢：

清楚地查看信號，并能夠放大信號，查看信號的細節。

可以更精確地測量電壓，這在電源設計驗證中尤其關鍵。

傳統數字示波器一直基于 8 位 ADC 技術，大部分工程師在設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化。但 ADC 本身只能提供 28 =256 個垂直模 數轉換等級，對于需要更高垂直分辨率的應用來說，比如電源設計，這種垂直模數轉換等級可能太粗糙了。

圖 3：把多條示波器通道手動“縫合”在一起，重建信號

在 8 位 ADC 中，查看更多電壓細節的一種常用方法是過量程測試 + 多條通道。在這種方法中，多條通道連接到 同一個信號，設置電壓標度時會故意超示波器輸入量程。它會調節每條通道的垂直位置，查看信號的不同部分。 然后用戶把信號“縫合”回去，從而提高垂直分辨率。如圖 3 所示，這種方法會導致失真，因為 8 位示波器的輸入 放大器可能要費力地從過量程飽和中恢復過來。儀器以這種方式運行時，測試結果一般沒法保證。

全新示波器 ASIC 實現更高的垂直分辨率

圖 4a：全新泰克 12 位 ASIC (TEK049)

圖 4b：全新泰克模擬放大器 ASIC （TEK061）

圖 4c：全新泰克模擬前端 ASIC （TEK026D）

由于示波器采集系統技術的發展，實現的垂直分辨率較以前的 8 位 ADC 采集系統大大提高。這主要通過在示波 器中實現認真規劃的 ASIC 設計來完成。在本白皮書中，我們將說明怎樣通過 ASCI 來大幅度改善分辨率：

清性能更高的 ADC（12 位）

高清顯示處理技術

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

實現高分辨率觸發

性能更高的 ADC（12 位）

例如，在泰克 4、5 和 6 系列 MSO 示波器中，有一系列全新 ASIC 發揮著關鍵作用。第一個是模數轉換器（ADC）。

由于全新 ASIC (TEK049) 提供了四個 12 位逐次接近 ADCs（圖 4a），TEK049 ADC 的運行速率達到了 25GS/s， 每臺 4、5 或 6 系列 MSO 可以有一個或兩個 ASIC，具體視通道數量而定。

由于 TEK049 ASIC 內置的是 12 位 ADC，它們 提 供了 4,096 個 垂直模 數 轉 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 3.125 GS/s 提供完成的 12 位樣點。在 6.25 GS/s 時，數據通 過 12 位 ADC 采集，但存儲在 8 位存儲內存中，以適應 ASIC 和內存之間的最大傳送速率。在 6 系列 MSO 中，它 們以 12.5 GS/s 提供完成的 12 位樣點。在 25 GS/s 時，數據通過 12 位 ADC 采集，但存儲在 8 位存儲內存中，以 適應 ASIC 和內存之間的最大傳送速率。

高清顯示處理技術，增強波形查看功能

TEK049 ASIC 還采用顯示處理硬件，因此 4、5 和 6 系列 MSO 能夠支持實時更新速率的大型高清顯示器。由于 1920×1080 像素，示波器可以利用更高的 ADC 分辨率，便于查看對工程師來說至關重要的信號細節。在其他示 波器中，顯示系統把 ADC 代碼壓縮到提供的垂直像素中，用戶看不到 ADC 實際捕獲的重要細節。TEK049 還實 現了超快速更新速率，支持 16 位色彩深度。這種快速更新速率及灰度等級允許用戶檢出波形的關鍵點，對需要 精細信號細節的人員，進一步加強了其查看波形的能力。把多種功能融合到一個 ASIC 中，降低了系統噪聲，因為 處理信號時不必通過 PCB 傳輸信號。圖 5 是上一代示波器芯片組，其功能與全新 TEK049 的功能相同。

圖 5：TEK049 ASIC 把上一代儀器中多塊芯片執行的功能融合在一起

在高帶寬、低 V/Div 設置下降低噪聲，提高增益

全新 ASIC 還發揮著關鍵作用，使得示波器能夠支持示波器顯示器上的各種滿刻度。在 4、5 和 6 系列 MSO 中， 前端的放大器和衰減器系統調節增益，一直利用 ADC 滿刻度優勢。放大器噪聲必需非常低，以便利用高分辨率 ADC 的優勢，并能夠在高帶寬和低 V/Div 設置下使用示波器。6 系列 MSO 中的全新 TEK061 ASIC（圖 4b）在高 帶寬和小垂直標度下提供了行業領先的性能。全新 TEK026D（圖 4c）ASIC 適用于 4、5 和 6 系列，保證超低噪聲， 甚至可以精確探測 1 GHz，而不會從探頭放大器中增加噪聲。圖 6 是該系統的總體框圖。

圖 6：4、5 和 6 系列 MSO 一條通道的采集路徑

硬件濾波器技術改善垂直分辨率

多年來，泰克一直提供減噪技術和垂直分辨率增強功能，在配備 8 位 ADC 的儀器上實現 8 位以上的垂直分辨率。 ““多種工具把示波器分辨率提升到 11 位以上”應用指南中更詳細地介紹了這些功能。在本文中，我們重點介紹 單次采集可以使用的技術，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行，而不管采用什么設置。然后用戶可以設置較低的采樣率，并壓縮（舍 棄）樣點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。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。樣點會進行平均，創建所需的采樣率， 這個過程通常稱為“信號組平均”。每個樣點由更多的信息組成，提供了更好的準確度，有效地提高了垂直分辨率。 圖 7 比較了采樣模式與 HiRes（信號組平均）模式。這種技術目前仍在廣泛應用。

圖 7：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，垂直分辨率的位數可以提高：

0.5 logD

其中：D 是壓縮率，或最大采樣率與實際采樣率之比。,

可以預測，改善垂直分辨率的能力受到系統固有噪聲的限制。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，那么這些點的準確度會下降，抵消信號組平均或傳統“HiRes”模式實現的分辨率增強。需要 指出的是，在模擬信號調節和 ADC 采樣相結合來優化實時信號特點時，高分辨率模式才會實現最好的效果。

4、5 和 6 系列 MSO 在信號組平均或“HiRes”方法基礎上作了進一步改進。在傳統方法中，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 TEK ASIC 中的硬件，不僅執行平均功能，還針對每種采樣率實現了 防失真濾波器和一套獨特設計的有限脈沖響應（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：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 階濾波器可以調節，具體視示波器設 置而定；6 系列上的 FFT（觸發后）提供了探頭校正功能，確保測量系統的準確性。

在 4、5 和 6 系列 MSO 上，每個濾波器的低通響應是為全面平衡噪聲抑制和瞬態階躍響應而設計的。磚墻濾波器 可以實現最大的噪聲抑制效果，但不能提供最優的瞬態響應。吉布斯現象描述了一種效應，大的頻響不連續點（如磚墻濾波器）會在系統的階躍響應中導致振鈴和過沖 / 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。如果沒有認真均衡，那么示波器可能 會導致差的噪底指標，但在波形顯示中卻不能準確地復現信號。

圖 9：High Res 模式下矩形信號的階躍響應

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 125 MS/s 或以下采樣率時提供 了高達 16 位的垂直分辨率。

ASIC 可以觸發并快速顯示高分辨率樣點

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，示波器的觸發系統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 實時執行 DSP 濾波，使用硬件模塊而不是觸發系統， 因此觸發可以基于處理后的高分辨率樣點。相比之下，傳統 HiRes（信號組平均）方法針對的是存儲的樣點，而 不是觸發信號，因此高頻瞬態信號或毛刺可能會假觸發，在顯示的屏幕上看不到。

把新改進的 High Res 平均和濾波與觸發緊密集成在一起，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 結合使用，更好地查看識別對性能至關 重要的信號細節，如電源設計驗證。圖 10 左側顯示了 FastAcq 模式下兩個邊沿上有噪聲的正弦波假觸發，右側 顯示了打開 High Res 時的 FastAcq 信號。右側正在觸發濾波后的上升沿。

圖 10：FastAcq 獨立于觸發系統應用信號組平均功能，出現假觸發（左）。FastAcq 采用新的 High Res 方法，濾波觸發（右）。

分辨率離開準確度是沒有意義的

如果儀器的前端有噪聲或容易發生失真，或者如果其采樣率發生時間間隔誤差，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 中的位數外，還必須考慮失真和抖動。為實現這個目標，電子行業發明了“有 效位數”（ENOB）的概念，來考察由于噪聲、失真、插補錯誤和采樣抖動導致的誤差。

什么是有效位數（ENOB）？

ENOB 表示模數轉換器或示波器提供的等效實用位數，其中考慮了儀器噪聲、諧波失真、線性度和采樣抖動。它 輸入質量非常高的信號，然后把模數轉換器的輸出與該輸入進行對比，來實現這一點。泰克采用 IEEE 模數轉換 波形記錄儀標準（IEEE std. 1057）規定的方法。由于上述噪聲和失真，所以 ENOB 一直低于 ADC 中的位數。一 般來說，優質 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， 所以它是衡量模數轉換系統實際分辨率的更好的指標。

盡管 ENOB 是確定模數轉換系統準確度的一個重要因素，但它并不是比較測量質量的萬能指標。它不包括 DC 偏置、增益、相位和頻率誤差。必須單獨考慮這些誤差，例如，如果進行的測量影響頻率性能的準確度，那么更好 的指標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。

為實現更高的 ENOB，4、5 和 6 系列 MSO 示波器采用了本白皮書前面重點介紹的增強功能：

性能更高的 ADC（12 位）

性高清顯示處理技術

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

實現高分辨率觸發

為實現更高的 ENOB，圖 11 對比了來自 1.5 V DDR3 電源的測量截圖。左側是 6 位 ENOB 的傳統 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 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 1.5 V 降壓調節器的 1 MHz 開關噪聲是問題根源。

圖 11：8 位示波器（左）和 12 位示波器（右）DDR3 電源比較。

總結

示波器中更高的垂直分辨率可以查看重要的信號細節。但是，提供這種分辨率并不能只靠增加 ADC 的位數。4、 5 和 6 系列 MSO 采用多角度方法，不僅實現了更高的 ADC 分辨率，還采用數字信號處理、觸發系統集成、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