談及分辨率，人們最容易想到的是圖像分辨率。買(mǎi)電視、顯示器、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)的時(shí)候都會(huì)考慮這個(gè)指標(biāo)，一般用水平和垂直方向的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)或者DPI(每英寸點(diǎn)數(shù))來(lái)表示。顯然，高分辨率圖像更能清楚展示細(xì)節(jié)。而對(duì)于數(shù)字示波器，工程師極少談及它的分辨率，談得更多的是帶寬、采樣率等指標(biāo)。示波器也有分辨率，更準(zhǔn)確地說(shuō)是垂直分辨率，也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量化位數(shù)。一般各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的實(shí)時(shí)示波器ADC位數(shù)都為8位，故而極少提及垂直分辨率。
實(shí)時(shí)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(cè)量的場(chǎng)合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿(mǎn)足高分辨率的測(cè)試需求，美國(guó)力科公司研發(fā)了新型的實(shí)時(shí)示波器WaveRunner HRO 6Zi，簡(jiǎn)稱(chēng)HRO(高分辨率示波器)。其ADC位數(shù)達(dá)12位，同時(shí)具備較高的采樣率-2GS/s。存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)可以達(dá)到每通道256M采樣點(diǎn)。HRO示波器高分辨率、高采樣率和長(zhǎng)存儲(chǔ)特性使其在多數(shù)測(cè)試場(chǎng)合中都能替代數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然，它也具備示波器所擅長(zhǎng)的測(cè)量、分析和調(diào)試功能，其易用性更好。
ADC位數(shù)對(duì)垂直分辨率有多大影響？我們來(lái)看圖1，這是用8位示波器和12位示波器分別對(duì)同一個(gè)信號(hào)采集后，對(duì)其中部分波形放大顯示的結(jié)果。
圖1：8位示波器和12位示波器捕獲波形對(duì)比
從圖中可以看出8位示波器采集的波形出現(xiàn)臺(tái)階狀現(xiàn)象，這是因?yàn)樾盘?hào)的微小變化和ADC的量化誤差相當(dāng)，信號(hào)的微小變化淹沒(méi)在了量化噪聲中。可能很多工程師在使用示波器時(shí)并沒(méi)有注意到這個(gè)現(xiàn)象。這好比兩臺(tái)尺寸相同、分辨率不一樣的電視機(jī)，站在5米外觀(guān)看可能看不出差別，靠近了觀(guān)察就能發(fā)現(xiàn)低分辨率電視機(jī)的像素點(diǎn)更粗、馬賽克現(xiàn)象更明顯。那么把示波器捕獲的信號(hào)放大、觀(guān)察細(xì)節(jié)，也就有類(lèi)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(guān)。打個(gè)比方，一臺(tái)高分辨率的電視機(jī)，如果它內(nèi)部電路的噪聲很大，導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)很多雪花點(diǎn)。即便是高清片源也會(huì)被這些雪花點(diǎn)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(méi)在示波器的噪聲中。如何評(píng)估示波器的噪聲水平呢？有的示波器廠(chǎng)家喜歡采用基底噪聲：示波器不輸入信號(hào)，測(cè)量基線(xiàn)的噪聲大小。這種指標(biāo)只能作為參考。因?yàn)闆](méi)有人使用示波器時(shí)不輸入信號(hào)。有無(wú)輸入信號(hào)，示波器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)可能差別很大。圖2是某示波器沒(méi)有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖，并分別對(duì)時(shí)域波形做FFT，觀(guān)察頻域。在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，頻域噪底比較平坦；而輸入正弦波后，除了信號(hào)基頻和諧波分量以外，出現(xiàn)了不少雜散，而且噪底的形狀也不再平坦。因此，基線(xiàn)噪聲不是評(píng)估示波器噪聲水平的合理指標(biāo)。
圖2：示波器沒(méi)有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖
更科學(xué)的指標(biāo)是信號(hào)與噪聲失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio，SINAD)，以及有效位數(shù)(ENOB)。SINAD的測(cè)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(jì)算信號(hào)功率和噪聲失真功率之比。ENOB在數(shù)學(xué)上可以通過(guò)SINAD計(jì)算得到。SINAD、ENOB與輸入信號(hào)頻率、幅度的大小以及示波器的工作狀態(tài)都有關(guān)。
力科HRO不僅ADC位數(shù)比其他實(shí)時(shí)示波器高，也有極低的噪聲水平。其典型的信噪比為55dB，而8位示波器一般只有35~40dB。圖3是將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器，轉(zhuǎn)化到頻域觀(guān)察的圖形。兩者頻域的垂直刻度和基準(zhǔn)都一樣。從圖中可以看出，12位示波器的頻域噪底比8位示波器低大約10dB。
圖3：將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器，轉(zhuǎn)化到頻域觀(guān)察
我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際的測(cè)試案例：需要對(duì)某開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中的功率MOS管進(jìn)行分析。其中有一個(gè)測(cè)試項(xiàng)是MOS管導(dǎo)通損耗。分別用電壓和電流探頭測(cè)量漏源電壓Vds與漏極電流Ids，在示波器上將兩個(gè)波形相乘得到功率波形，導(dǎo)通期間的功率就是導(dǎo)通損耗。由于在導(dǎo)通期間，Vds與Ids的值都很小，和8位示波器的量化誤差相當(dāng)。可以將Vds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀(guān)察，同樣也會(huì)出現(xiàn)前文提到的臺(tái)階狀現(xiàn)象(圖4)。
圖4：將Vds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀(guān)察
而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過(guò)對(duì)比測(cè)試，8位示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W，HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW(圖5)。
圖5：8位示波器與HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗對(duì)比
使用低分辨率示波器的工程師，也許會(huì)花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗，殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。
而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過(guò)對(duì)比測(cè)試，8bit示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W，HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW ：
使用低分辨率示波器的工程師，也許花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗，殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。
總結(jié)：
力科HRO示波器的高分辨率特性，使其特別適合測(cè)量和分析微小變化的信號(hào)，如高精度傳感器和執(zhí)行器;心電、腦電等微弱生理信號(hào);電源噪聲和紋波;無(wú)線(xiàn)中頻信號(hào)等等。
