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[其它] 示波器的垂直分辨率概念

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发表于 2020-2-12 17:05:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
垂直分辨率概念
用数字示波器测量模拟信号第一步就是用ADC(模数转换器)把探棒接收到的模拟信号转换成数字信号,ADC数模转换芯片的分辨率直接决定了示波器垂直方向上的采样精度。比如ADC是8位,那么垂直方向上的信号可以被切分成00000000~11111111一共2的8次方,256段。模数转换器的垂直分辨率,就是数字示波器的垂直分辨率,代表示波器将输入电压转换为数字值的精确程度。

数字示波器所显示的垂直分别率由什么决定
优先级从高到低
1.前端ADC的分辨率
2.显示屏分辨率:它决定了经过处理的信号,有多少可以被显示出来。比如ADC虽然可以在垂直方向上显示256段,但是可能显示屏的分辨率垂直只有240个像素点,那么有一部分点会被合并成1个像素显示。
3.插值算法:实际的示波器,上面显示的像素点不一定都是实际采样生成的,一部分是通过插值算法计算出来的虚拟的点,好的插值算法会使插值的点与实际的点差异比较小。

垂直精度
当我们用同一个示波器在不同垂直档位下测量同一信号时,得到的测量结果往往是不一样的。
比如我们测量一个2V的方波信号,在垂直档位为2V时,测出幅值可能为1.960V。
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在垂直档位为500mV时,测出幅值为1.980V。
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为什么会这样?因为它涉及到垂直分辨率的问题,假设当垂直档位为500mV/div时,示波器垂直方向有10格,则其垂直分辨率由ADC的分辨率决定,即为(500mV*10)/256=19.531mV,也就是ADC不能分辨小于19.531mV的电压信号。测量同一个信号,在垂直档位为2V/div的情况下,ADC能分辨的信号为(2000mV*10)/256=78.125mV,小于该电压值的信号是不能测量的,即数字测量仪器都是存在采集的量化误差的,ADC的位数越高,量化误差就会越小,但是它只能无限减小,并不能消除。
所以当我们在对波形进行测量时,尽量使波形占满示波器屏幕,目的就是为了提高垂直精度,使测量结果更准确。
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通过改变算法来提高分辨率
数字示波器中ADC的位数越高,垂直分辨率越高,该分辨率由硬件决定,一旦确定无法改变。但示波器整个系统的有效位数形成的分辨率与前者不同,我们可以通过软件提高分辨率。
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目前大部分的示波器对ADC采样后提高分辨率最常用的方法就是采用“平均”的做法。
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在平均采样方式中,可先设置一个平均次数N,之后示波器会对采集的N段波形,将它们按照触发位置对齐,对N段波形进行平均运算,最终得到一段平均后的波形。
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这种采样方式降低随机噪声的同时并没有损失带宽,示波器系统的分辨率就会提高,但是平均模式会经过较长的时间来响应变化的波形,以牺牲示波器的速度来换取较高的分辨率,而且由于其处理方式的特殊性,决定了它适用的波形信号只能是周期信号。


总结
示波器显示屏垂直方向上的分辨率本身就有限,另外测量高频信号时,幅度本身就不准确,在上限频率处甚至有30%的误差,而且垂直分辨率过高会提高模数转换时间,影响采样率,进而影响带宽,得不偿失。一般示波器的垂直分辨率是8位,高分辨率的示波器达12位,如果示波器模拟电路本身的精度没有提高,单纯追求ADC的分辨率是没有意义的。如果追求电压的准确度,应该使用万用表,示波器更主要的功能是观测波形的形状,测量准确度一般在2%以内,这种准确度应对绝大多数应用是完全游刃有余的。

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