談及分辨率，人們最容易想到的是圖像分辨率。買電視、顯示器、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)的時候都會考慮這個指標(biāo)，一般用水平和垂直方向的像素點(diǎn)個數(shù)或者DPI(每英寸點(diǎn)數(shù))來表示。顯然，高分辨率圖像更能清楚展示細(xì)節(jié)。而對于數(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)。一般各個廠家生產(chǎn)的實(shí)時示波器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(shí)現(xiàn)。為滿足高分辨率的測試需求，美國力科公司研發(fā)了新型的實(shí)時示波器WaveRunner HRO 6Zi，簡稱HRO(高分辨率示波器)。其ADC位數(shù)達(dá)12位，同時具備較高的采樣率-2GS/s。存儲深度(記錄長度)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(dāng)然，它也具備示波器所擅長的測量、分析和調(diào)試功能，其易用性更好。
ADC位數(shù)對垂直分辨率有多大影響？我們來看圖1，這是用8位示波器和12位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。
圖1：8位示波器和12位示波器捕獲波形對比
從圖中可以看出8位示波器采集的波形出現(xiàn)臺階狀現(xiàn)象，這是因?yàn)樾盘柕奈⑿∽兓虯DC的量化誤差相當(dāng)，信號的微小變化淹沒在了量化噪聲中。可能很多工程師在使用示波器時并沒有注意到這個現(xiàn)象。這好比兩臺尺寸相同、分辨率不一樣的電視機(jī)，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(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放大、觀察細(xì)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(guān)。打個比方，一臺高分辨率的電視機(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采用基底噪聲：示波器不輸入信號，測量基線的噪聲大小。這種指標(biāo)只能作為參考。因?yàn)闆]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。圖2是某示波器沒有輸入信號和輸入一個高信噪比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)了不少雜散，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(biāo)。
圖2：示波器沒有輸入信號和輸入一個高信噪比5GHz正弦波的對比圖
更科學(xué)的指標(biāo)是信號與噪聲失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio，SINAD)，以及有效位數(shù)(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(xué)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(guān)。
力科HRO不僅ADC位數(shù)比其他實(shí)時示波器高，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是將一個多諧波信號分別輸入到8位和12位示波器，轉(zhuǎn)化到頻域觀察的圖形。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：將一個多諧波信號分別輸入到8位和12位示波器，轉(zhuǎn)化到頻域觀察
我們來看一個實(shí)際的測試案例：需要對某開關(guān)電源產(chǎn)品中的功率MOS管進(jìn)行分析。其中有一個測試項(xiàng)是MOS管導(dǎo)通損耗。分別用電壓和電流探頭測量漏源電壓Vds與漏極電流Ids，在示波器上將兩個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)通時的波形放大觀察，同樣也會出現(xiàn)前文提到的臺階狀現(xiàn)象(圖4)。
圖4：將Vds波形導(dǎo)通時的波形放大觀察
而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過對比測試，8位示波器測量的導(dǎo)通損耗是1.5W，HRO測量的導(dǎo)通損耗是688mW(圖5)。
圖5：8位示波器與HRO測量的導(dǎo)通損耗對比
使用低分辨率示波器的工程師，也許會花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗，殊不知測量結(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。通過對比測試，8bit示波器測量的導(dǎo)通損耗是1.5W，HRO測量的導(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，使其特別適合測量和分析微小變化的信號，如高精度傳感器和執(zhí)行器;心電、腦電等微弱生理信號;電源噪聲和紋波;無線中頻信號等等。
