高精度示波器的实现方法

2018-06-08 16:03:30· 来源：美国力科TeledyneLeCroy

自从20世纪70年代中期出现第一代数字存储示波器以来，8位垂直分辨率就成为示波器的标准配置，对此我们都抱怨过，但我们没有太多事情可以做，现在，高清或高分辨率示波器市场出现了突然的爆发，一些厂商在1GHz或更高的带宽下声称有了10位，12位甚至16位分辨率，哪些我们可以相信呢？你怎么知道你是否能够得到广告宣称的性能？高清和高分辨率有什么区别？

你还记得只有一家汽车公司生产四轮驱动（AWD）汽车时吗？现在，似乎每个制造商都能生产AWD汽车，他们性能一样吗？数据显示“不，他们其中很多都是简单的“仿冒”设计，对于某些人来说，在一些不太苛刻的条件下，这样的汽车可能表现得足够好，但是如果你要开车去山上滑雪，你可能需要最好的AWD，这样即使路况非常恶劣，你也不会受伤，如果最好的AWD的成本不高于性能不太好的AWD，那么为什么你不去选择最好的？

这和我们目前高清和高分辨率示波器的情况类似，许多示波器系统声称具有高分辨率，但与标称的带宽、采样率和通道数量不同步，这意味着它们不是真正高分辨率的示波器 - 它们是使用软件后处理技术实现更高分辨率的传统8位示波器，他们可以在些不太苛刻的条件下为用户工作。

如果设计合理，高分辨率或者高精度示波器可以实现比传统8位分辨率示波器更高的测量精度，高分辨率示波器的优势在于：

干净、漂亮的波形
更低的本底噪声，更多的信号细节
无可比拟的测量精度

高精度示波器的实现方法
高清晰度和高分辨率是各个示波器制造商用于定义8位以上垂直分辨率的可互换术语，这些术语本身并没有揭示为获得更高分辨率所采用的底层技术，以及与其相关的任何缺点或所用方法的整体质量。实际上，他们有时会使用极具误导性的方式混淆示波器的实际性能。
示波器中的高分辨率是通过低噪声高分辨率硬件、软件后处理技术或二者的某种组合获得的，对于各种设计方法有两个不可分割的规则：
1. 当使用等效的软件后处理技术来进一步改善硬件噪声和分辨率时，高分辨率硬件总是会获得更好的噪声性能和更高的有效位数。
2. 如果带宽和采样率要保持在高规格下，要获得更低的噪声和更高的有效位数，则软件后处理技术不能取代高分辨率硬件。
可用的高精度示波器实现方法

以下是可用于高分辨率示波器的实现方法：

1. 实现方法1：传统的8bit示波器硬件
传统的示波器采集系统
没有高分辨率组件
专用软件后处理技术，可实现超过额定ADC的分辨率（当高分辨率/精度“模式”打开时，降低带宽和采样率）

实现方法2：单个高分辨率ADC组件
前端放大器噪声与8位系统性能一致的传统示波器采集系统
单个高分辨率组件(通常是ADC，宣城是10bit或者12 bit)

实现方法3：整体系统方法（始终保持高分辨率）
低噪声前端放大器
高分辨率ADC(典型的是12 bit)
低噪声系统架构

实现方法4：多种方法的结合
方式1和方式2的组合
方式1和方式3的组合

任何一种方法与其他任何方法相比都没有本质上的错误，但软件后处理方法要求用户接受带宽和采样率的降低以实现其宣称的分辨率，或者可能不具有与宣称的分辨率一致的噪声性能。如果这些折衷是已知的并且示波器用户可以接受，那么具有这些限制的任何设计方法也是可接受的。

以上描述的实现方法的特点汇总在表格1中

表格1 - 硬件和软件高分辨率设计方法特点

高分辨率实现方法的预期性能
工程师们希望他们的高分辨率示波器能够以广告宣称的带宽、采样率和通道数来提供广告宣称的分辨率，如果购买12位、4 GHz、4通道、10 GS / s的示波器，它应该始终同时满足所有这些规格。

图1所示的雷达图是一种观察这个的简单方法，图中有四个不同的坐标轴，分别对应上述提到的各个指标（分辨率，带宽，通道数和采样率），分辨率显示为位和ADC电平，其比例与ADC电平成线性关系。

图1 -雷达图表用于了解示波器标称指标的相互影响

图2是由实现方法3得出的12位分辨率，4 GHz带宽，4通道，10 GS / s采样率示波器的示意图，绿色区域代表在所有四个轴上同时获得的性能，和我们预料一致。

图2 – 雷达图表显示所有可用的指标，没有任何折中

使用实现方法1（采用8位采集硬件并进行软件后处理以获得更高分辨率）的示波器的性能如图3所示，该示波器在不同的带宽或工作模式下性能不同，性能的折中妥协可能会也可能不会以明显的方式呈现给用户。

图3--传统8位示波器的雷达图，使用软件后处理实现高分辨率

图4显示了实现方法1示波器的性能如何随分辨率的提高而发生显著变化，从而导致带宽和采样率的降低，这一点与依靠传统8位示波器的软件后处理所预期的相同。

图4 –和图3同样的示波器，但使用软件后处理的10位分辨率

用于改进噪声和分辨率的软件后处理技术
数字信号处理技术（DSP）已经应用在示波器中有一段时间了，用于各种滤波、频率响应、群时延和其他补偿， DSP在一些示波器中可用于改善噪声和提高分辨率，像平均、滤波

用于改进噪声和分辨率的软件后处理技术包括如下所示：

采集平均
ADC采样平均
滤波

采集平均
将多次采集到的信号平均将大大降低随机噪声，越大数量的平均将带来随机噪声的显著降低，但是信号必须重复的，以使该技术能够工作。因此，这对单次采集没有任何用处，这在单次采集的实时示波器中并不被认为是降噪的实用技术，事实上，目前任何实时示波器制造商都没有采用或推广这种技术作为降低噪声和提高分辨率的可行方法。

ADC采样平均
如前所述，许多ADC芯片包含多个ADC，每个ADC具有不同的信号路径，这些ADC按时间交织以获得ADC芯片的标定采样率。如果每个时间交错ADC具有不同的不相关噪声，那么将两个不同的ADC信号路径平均，并相应降低采样率，将相当于提高最多有效分辨率0.5bit。如果两条路径中的噪声完全不相关，则可以最多提高0.5bit。如果两条路径中的噪声完全相关，则不会有任何的改善。

ADC采样平均技术可以对从存储器缓存器或位于ADC和存储器缓存器之间的FPGA读取的数据执行平均，无论如何，数学结果将是相同的，尽管基于FPGA的方法可以更快运行。无论如何，这些只是软件后处理的两种不同实现方式。

滤波
如果噪声是白噪声（在示波器的带宽内均匀分布），我们将带宽减半，将获得3 dB（半个有效位）的噪声降低，这是Teledyne LeCroy使用的增强分辨率（ERES）滤波器的原理，其他示波器制造商也采用了类似的滤波技术，尽管对可达到的效果有模糊的描述 - 每减半带宽，理论上不可能实现> 3dB的噪声降低。

滤波技术可以对从存储器缓存器或位于ADC和存储器缓存器之间的FPGA读取的数据执行平均，无论如何，数学结果将是相同的，尽管基于FPGA的方法可以更快运行。无论如何，这些只是软件后处理的两种不同实现方式。

软件后处理技术的得与失
所有上述技术都利用对噪声和频谱的优化来降低噪声并提高分辨率，但带宽、采样率、通道数或所有这些指标都有降低。应该注意的是，某些技术并不直接减少带宽，但是如果带宽不会随着该技术的应用而降低，那么将不再满足SR：BW的奈奎斯特标准，这样信号可能会出现混叠。“了解示波器中的垂直分辨率”中介绍了实现的细节以及理论上或合理预期的改进程度。表2总结了这些技术及其对示波器性能的影响：

表格2---提高分辨率的各种软件后处理技术对示波器性能的影响

高分辨率示波器的实现
目前大多数示波器厂商现在都在推广标称具有高清或高分辨率的示波器，图5显示了各种高分辨率示波器产品线以及它们向市场发布的大致时间表。

图5--各种高分辨率示波器产品线的发布时间和相应分辨率

Teledyne LeCroy的各种HD4096高清技术示波器以高分辨率的性能引领潮流，无论示波器的工作模式或配置如何，始终保持12位分辨率。

Teledyne LeCroy 2011年率先推出WaveRunnerHRO 6 Zi系列（600MHz，2 GS / s，4通道，12位分辨率）高分辨率示波器，随后是4通道和8通道HDO系列示波器（HDO4000，HDO6000和HDO8000），在带宽1 GHz时有2.5 GS / s采样率（现在HDO“A”系列为10 GS / s）。WavePro HD系列是TeledyneLeCroy最新的高分辨率示波器，带宽高达8GHz，20 GS /s（4通道10 GS / s）、4通道和12位分辨率。自2012年以来，所有Teledyne LeCroy高分辨率示波器都采用了Teledyne LeCroy的HD4096高清技术，HD4096技术结合了低噪声前端放大器、12位ADC和低噪声系统架构，因此，12位性能是硬件设计固有的，并且通过使用ERES（示波器标配的增强分辨率滤波器）可以实现高达15位的分辨率（以更低的带宽），这些示波器平台均遵循实现方法3（或使用ERES的方法是3和1的实现方法组合4），实现方法3的结果是带宽、采样率和通道数量没有任何降低就可以实现高分辨率，如图6所示：

图6 - 力科 WavePro 404HD始终保持12bit性能

下图是力科 WavePro 804HD和某厂商的10bit 8GHz带宽示波器（红色标识）的比较，可以看到WavePro 804HD在标称指标上，始终保持12bit性能，而此厂商的示波器在不同的工作模式时，性能是不同的，不特别注意，你很弄清楚，目前示波器所处的状态。