新一代示波器——更强的测量信心 — 真正的12位ADC和高分辨率模式

发布时间:2020年02月13日 09:02    发布者:安泰测试设备
关键词: 12位ADC , 高分辨率 , 示波器 , 噪声 , 信号测试

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对许多移动电子产品设计,低功耗是发展的趋势,推动降低待机电压电流。更多的电源要求直流输出更小的波纹以提高电源效率或有各种类型的低功耗传感器应用在汽车电子,自主机器人或医疗电子,涉及到很多小电气信号转换,这些都是对小幅度信号测量精度要求较高的例子。

考虑到所有这些测试场景,全新4系列MSO的核心是12位模数转换器(ADC),它提供的垂直分辨率是传统8位ADC的16倍。与一些示波器供应商不同,它们的12位垂直分辨率是通过DSP计算获得的,而不是通过硬件ADC实现的真正的12位模数转换。泰克真正的12位ADC构建在泰克Tek049ASIC上。

4系列MSO的用户不仅拥有真正的12位ADC,还可以应用一种全新的高分辨率模式,即基于硬件的独特的有限脉冲响应(FIR)滤波器,根据所选择的采样速率进一步提高垂直分辨率。FIR滤波器保持该采样率的最大带宽,同时防止混叠和消除来自示波器放大器和ADC的噪声,高于所选采样率的可用带宽。高分辨率模式始终提供至少12位垂直分辨率,并在≤125 MS/s 采样率的情况下扩展到16位垂直分辨率。

此外,新的低噪声前端放大器进一步提高了4系列MSO的能力,解决小而精细的信号细节测试的问题。

有了以上所有这些,新4系列MSO提供了出色的小信号测试性能,以捕获感兴趣的信号,同时最小化不必要的噪声的影响。轻松解决当您需要捕获高振幅信号,且同时需要观测较小的信号细节。

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深入理解ENOB(有效比特数)

一个8位ADC提供256分度垂直分辨,12位ADC提供4096分度,垂直分辨提高16倍来解决不同振幅的测试需求。我们具体了解下,如1 mv / div垂直刻度,8格垂直全面使用等于8 mv,如果整个动态范围是由256分度,它意味着最小分辨水平在31.25uV左右。如果这个全动态范围被4096分度的分辨率,那么最小的电压分辨仅为1.9uV。但是我们知道因为随机噪声被引入前端前置放大器和ADC中,这种垂直分辨率在大多数示波器中是不可能实现的。

我们知道除了ADC的比特数外,还有许多其他因素会影响垂直测量的精度。例如,随机噪声、前置放大器的直流增益精度、ADC的非线性、偏置、增益、畸变、模式和相位误差等都是影响垂直测量精度或分辨率的因素。因此,仅用ADC的位数作为经验法则来判断示波器是否具有良好的垂直分辨率或良好的垂直测量精度是不够的。反而,我们可以用有效位数ENOB来表示一个示波器在考虑了所有这些缺陷和误差之后的实际有效位数。由于带宽越宽,可以进入前置放大器和ADC的随机噪声就越多,因此ENOB通常随着频率的增加而降低。

示波器的前置放大器和ADC存在典型的不完美特性,会影响ENOB

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当我们更深入了解的时候,我们现在知道一个8位ADC的示波器在真有效位数这个指标不一定比一个10位ADC的示波器差。右面是泰克新3系列MDO与另一个国外品牌10位示波器的ENOB的比较:

在对比图中,泰克新3系列MDO虽然是一个8位ADC的示波器,但它的ENOB实际上在大部分频率范围都高于另一个10位ADC的示波器。简而言之,只通过示波器采用多少位的ADC是不足以确定垂直分辨率或幅度测量精度是好还是不好。反而,要求示波器供应商提供将所有的因素、缺陷和随机噪声综合考虑后的真有效位数指标ENOB是一个更科学的评价标准。

但是,为什么只有8位ADC的泰克3系列MDO的性能比某品牌的10位ADC的示波器更好呢?

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在新3系列MDO的前端,美国泰克采用了Tek026D 具体更低噪声与更好的频率响应性能的前置放大器,我们也更好优化了前置放大器和ADC之间的阻抗匹配,时间校准和增益校准。因此,总体垂直分辨率有了很大提高。下面的屏幕截图是3系列MDO和上一代经典的MDO3000系列在相同设置下随机噪声的比较。在特定设定条件下此次测试结果显示,新3系列MDO的峰值随机噪声仅为920uV,而MDO3000峰值随机噪声为1.52mV,高出60%。这种差异可能看起来不明显,但在小信号测量中可是具有实质意义的,例如,一些直流波纹可能只有20mV,1mV的会导致5%测试误差。

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3系列MDO的峰值随机噪声仅为920uV,而峰值随机噪声为1.36mV,高出48%。这种差异可能听起来不明显,但在小信号测量中却尤为明显,例如,一些直流波纹可能只有20mV,而1mV的误差已经是5%。
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