3．示波器的分辨率

對于數字示波器來說，ADC是把連續的模擬信號轉換為離散的采樣數據的關鍵器件，數據樣點的水平時間分辨率取決于其采樣率，而數據樣點的垂直電壓分辨率取決于其量化位數。ADC的種類很多，例如很多萬用表中會使用的積分型ADC；手機、基站中普遍使用逐次比較型的或Σ-Δ型ADC；而在示波器中，為了提供盡可能高的帶寬進行高頻信號的測試，使用的是Flash型ADC。

Flash型ADC又稱為并行ADC，其結構如圖4.8所示（來源：Understanding Flash ADCs，http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/810）。假設ADC的位數為N位，則ADC的輸入滿量程REF被2N個完全相同的分壓電阻等分為2N-1份，后面緊跟著2N-1個比較器。輸入信號經放大和采樣后同時與這2N-1個比較器進行比較，根據比較器的結果再進行譯碼就可以得出被測信號當前點的電壓值。

從前面的描述可以看到，Flash型ADC的轉換結果是多個比較器同時并行比較并譯碼得到的，因此其工作速度比較快。但是從上面的結構也可以看出這種ADC的缺點，主要缺點如下：

|分辨率做不高，如果要實現N位的ADC就需要2N個分壓電阻和2N-1個比較器，芯片的功耗、尺寸成本隨著位數的增加呈幾何級數上升，因此Flash型ADC的位數一般最高做到8位。

|對器件一致性要求高，Flash型ADC對其內部的分壓電阻以及比較器的一致性要求非常高，否則就會對器件的線性度造成很大影響，因此對工藝的要求比較高。

對于數字實時示波器，其最關鍵的要求是要有高的采樣率以實現對高帶寬的信號采樣，因此市面上絕大部分數字實時示波器使用的都是Flash型ADC。也正因為這個原因，市面上絕大部分數字實時示波器的垂直分辨率都是8位的（現在也開始出現更高位分辨率的示波器），其直流電壓或者信號幅度的測量精度并不是太高。

Flash型ADC對于內部電路的分壓電阻、比較器的一致性要求比較高，否則線性度會不太好。為了提高其線性度，實時示波器通常會事先對其線性度、偏置誤差、增益等進行校準。最常用的校準方法就是用一個更高位數的DAC（數模轉換器）產生不同的直流電平送給示波器的輸入端，根據示波器測量到的實際結果進行修正和校準。圖4.9是用16bit的DAC輸出對示波器8bit的ADC進行校正的一個示意圖，有些示波器的Aux Out或者Cal Out輸出口就可以產生這樣的校準信號輸出。

為了提高信號的測量精度和分辨率，隨著芯片技術的發展，現在有些新型的示波器也在采用更高位數的ADC。圖4.10是一款高精度示波器上使用的單片40GHz采樣率、10bit分辨率的ADC芯片，可以在8GHz帶寬范圍內提供10bit的信號分辨率，未來通過拼接可以用于更高帶寬的示波器上。

示波器的ADC位數提升以后，直觀的感覺是提高了對小信號的分辨能力。圖4.11是在10bit分辨率的示波器上用特殊的軟件版本做的一個測試。此時，示波器的垂直量程設置為600mV/格，滿量程為8格，也就是4.8V。如果ADC位數為8bit，則最小信號的分辨率為4.8V/256≈18.8mV；而如果ADC位數為10位，則最小信號的分辨率為4.8V/1024≈4.6mV。通過對當前量程下底噪聲的數學放大顯示，在圖4.11下半部分可以看到明顯的對于噪聲量化時形成的一條條的水平分割線，水平線間的垂直間隔在4.6mV左右。因此，在相同量程下，10bit ADC的示波器可以比8bit ADC的示波器具有更好的小信號分析能力。

需要注意的是，上述實驗是給示波器加載了特殊軟件版本后看到的原始的ADC量化后的結果。正常的示波器軟件會對示波器的非線性、頻響等誤差進行修正，還要對波形做內插處理和顯示，因此在正常的示波器軟件版本上，可能看不出這種明顯的水平分割線。

另外，ADC的位數高并不一定會帶來好的測量效果。因為示波器是一套復雜的測量系統，其噪聲和失真的來源除了ADC芯片外，還可能來源于前端放大器及內部的電源及時鐘電路。所以，僅僅看ADC的標稱位數是不夠的，還要看其在真實測量情況下的底噪聲、信號失真、等效位數等的表現。