是德示波器ADC采樣后數字信號突變的成因分析

在高速數字測試與測量領域，示波器是捕捉信號瞬態特性、分析信號完整性的核心工具。其核心性能指標——垂直分辨率、動態范圍和信噪比（SNR）——直接取決于模數轉換器（ADC）的采樣精度與前端電路設計。然而，在實際測試中，用戶常發現ADC采樣后的數字信號出現突變或非預期波動，這一現象可能源于硬件限制、噪聲干擾或設置不當。

一、ADC在示波器中的作用與性能指標

1. ADC的核心功能

ADC（Analog-to-Digital Converter）將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，其性能決定了示波器的垂直分辨率和動態范圍。根據奈奎斯特采樣定理，ADC的采樣率需至少為信號帶寬的2倍，而分辨率（位數）則決定了信號量化的精細程度。

2. 關鍵技術指標

分辨率（n位）：ADC的量化電平數為2n。例如：

8位ADC：256級量化（每級代表滿量程的1/256）。

12位ADC：4096級量化（精度提升16倍）。

信噪比（SNR）：反映ADC對噪聲的抑制能力，SNR越高，有效分辨率越接近理論值。

有效位數（ENOB）：實際可用分辨率，受噪聲、失真等因素影響，ENOB=6.02SNR?1.76。

3. 摩爾定律對ADC性能的影響

自1965年戈登·摩爾提出摩爾定律以來，IC晶體管密度的指數增長推動了ADC性能的飛躍。現代高速ADC已實現：

采樣率：從MHz級提升至數十GHz（如Keysight UXR系列示波器支持110 GHz實時帶寬）。

分辨率：從8位向12位、14位演進（如Keysight S系列示波器采用10位ADC）。

二、示波器ADC采樣信號突變的成因分析

1. 量化誤差與分辨率限制

現象：信號波形出現階梯狀突變或細節丟失。
原因：

低分辨率ADC：8位ADC的量化步進較大（如滿量程800 mV時，步進為3.125 mV/級），導致小信號被“淹沒”在量化噪聲中。

SNR不足：若前端噪聲超過ADC的理論分辨率，實際有效位數（ENOB）降低。例如，12位ADC在噪聲干擾下可能僅發揮10位性能。

案例對比：

8位示波器：量化步進3.125 mV/級，難以捕捉微伏級信號變化。

10位示波器（如Keysight S系列）：量化步進0.156 mV/級（滿量程16 mV時），可分辨更小信號細節。

2. 垂直量程設置不當

現象：波形未占滿屏幕時，分辨率顯著下降。
原理：
ADC的分辨率利用程度與垂直量程設置密切相關。若波形僅占屏幕的1/4，實際有效位數可能從8位降至6位（分辨率損失與波形占屏比例的平方根成反比）。

優化方案：

滿屏顯示：調整垂直刻度使波形盡可能占滿屏幕（如Keysight示波器推薦使用最靈敏量程）。

避免軟件放大：傳統示波器在垂直刻度低于10 mV/格時可能啟用軟件放大，導致分辨率不升反降（如8位示波器在7 mV/格時分辨率僅218 μV/級，而10位示波器在2 mV/格時可達15.6 μV/級）。

3. 前端噪聲干擾

現象：低電平信號被噪聲覆蓋，導致ADC采樣值波動。
來源：

探頭噪聲：無源探頭帶寬不足或接地不良引入高頻噪聲。

示波器前端電路：放大器、ADC驅動電路的熱噪聲和電源噪聲。

環境干擾：電磁輻射（EMI）通過示波器外殼或探頭耦合至信號路徑。

解決方案：

使用低噪聲探頭：如Keysight N7020A有源探頭（噪聲密度≤0.9 nV/√Hz）。

啟用硬件濾波：利用示波器的帶寬限制功能（如20 MHz低通濾波）抑制高頻噪聲。

優化接地：縮短探頭接地線長度，采用接地彈簧或接地環。

4. ADC非線性誤差

現象：信號幅度較大時出現失真或諧波干擾。
原因：

積分非線性（INL）：ADC實際傳輸特性與理想直線的偏差，導致量化誤差分布不均。

微分非線性（DNL）：相鄰量化電平的寬度差異，可能引發“缺失碼”問題。

應對措施：

選擇高線性度ADC的示波器（如Keysight Infiniium UXR系列，INL≤±0.5 LSB）。

定期校準示波器，補償ADC的非線性誤差。

三、是德示波器分辨率優化實踐

1. 硬件架構優勢

Keysight示波器通過以下設計提升ADC采樣質量：

高分辨率ADC：S系列采用10位ADC，UXR系列支持12位垂直分辨率（需啟用高分辨率模式）。

低噪聲前端：采用Keysight ProBus架構，將前端噪聲降低至傳統設計的1/3。

硬件量化電平擴展：通過專利技術（如HyperView）在軟件放大時保留更多有效位數。

2. 操作建議

小信號測試：

使用10位或12位示波器（如Keysight DSOX1204G）。

設置垂直刻度為2 mV/格（S系列）或1 mV/格（UXR系列），以充分利用硬件分辨率。

高速信號測試：

選擇采樣率≥5倍信號帶寬的示波器（如UXR01104G支持110 GHz實時帶寬）。

啟用硬件觸發和深度存儲（如1 Gpts），避免軟件插值導致的信號失真。

四、總結與擴展應用

ADC采樣信號突變的根本原因包括量化誤差、垂直量程設置不當、前端噪聲和非線性誤差。

是德示波器通過高分辨率ADC、低噪聲前端和智能量化技術顯著提升了信號保真度。

通過合理選擇示波器型號、優化測試設置并理解ADC的底層原理，工程師可有效避免采樣信號突變，確保測試結果的準確性與可重復性。