浅析从频响和ADC看示波器高频和直流信号

发布时间:2020年01月13日 17:01    发布者:安泰Agitek

浅析从频响和ADC示波器高频和直流信号

示波器作为时域波形观测工具,如今在各种大大小小的测量应用中已是“到处可见”般的存在。但是市面上如此多的示波器品牌,主要的指标又非常接近,怎么判断一台示波器带宽是否适合、性能是否优秀,今天我们就聊一聊示波器的频响方式和垂直分辨率两个指标。

不同厂商和不同型号的示波器除了带宽不同,其频响方式也可能不一样。如图1不同的频响方式,在定义带宽的-3dB点附近信号衰减是不一样的。传统的高斯频响在阶跃信号测试时是没有过冲的,相同带宽下相对来说高斯频响的示波器上升时间最小,很多早期中低带宽示波器的频响方式就是高斯的。

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(图1)不同的频响曲线:高斯频响和平坦响应

现代的高带宽示波器多采用的平坦响应,由于带内衰减小,对快沿信号电压幅度信息的测量精度更高,在保证相同的上升时间测量误差时,被测信号可以更接近示波器带宽。而且由于平坦响应的带外抑制能力好,采样率只要高于被测信号2倍即可保证主谐波分量和高频谐波不发生混叠,降低了对ADC采样率的要求。

下图图2和图3是我司的租赁服务提供的样机DPO7354示波器在不同带宽下采集同一信号的上升时间,可以看出上升时间测量误差随着带宽提高而减小,测量值更接近信号真实上升时间:

带宽500MHz测量:

测量上升时间为2.92ns

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(图2500MHz带宽测1kHz方波上升时间

带宽3.5GHz测量:

测量上升时间为2.802ns

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(图33.5GHz带宽测1kHz方波上升时间

且由上面图2和图3可以看出,这台高带宽示波器就采用的是平坦响应方式,其在方波阶跃处有过冲现象,但电压幅度测量更准确。通过对频响方式的了解,有助于工程师在对示波器带宽和被测信号形态的考量中选择合适的型号进行测量。

还有我们常在示波器产品资料看到垂直分辨率的参数:表征该示波器电压测量的最小分辨率。

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垂直分辨率是示波器ADC模数采样芯片决定的,ADC的种类很多,而示波器从提高带宽考虑一般采用的是Flash ADC/并行ADC(如图4)。其水平时间分辨率取决于采样率,垂直电压分辨率取决于其量化位数。

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(图4FlashADC工作原理

从图4可以看出,信号进入通道后,同ADC满量程分压电阻各节点电压进行比较,比较的结果进入编码器,经译码后得到当前信号的电压值。分压电阻共2N个,输入电压与2N -1比较器进行比对,由于采用并行处理,因此速度很快。但从这种并行结构也可以看出一些缺点,比如分辨率做不高,实现NADC就得2N个分压电阻且要求器件有非常高的一致性,否则对ADC模块的线性度造成影响。所以市面上大多示波器是8位或10位。

正是由于示波器ADC位数较低,一般直流信号不建议用示波器测量。对比而言,示波器的最小垂直精度在1/28=1/256,如果用六位半万用表则可以达到甚至50ppm的电压精度。当示波器垂直档位为500mV/div时满量程8格即4V,此时当ADC位数是8bit则最小信号分辨率是4/28=15.625mV,当ADC位数是10bit时则最小信号分辨率率是4/210 =3.906mV,电压精度明显更高。


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