3．示波器的分辨率

对于数字示波器来说，ADC是把连续的模拟信号转换为离散的采样数据的关键器件，数据样点的水平时间分辨率取决于其采样率，而数据样点的垂直电压分辨率取决于其量化位数。ADC的种类很多，例如很多万用表中会使用的积分型ADC；手机、基站中普遍使用逐次比较型的或Σ-Δ型ADC；而在示波器中，为了提供尽可能高的带宽进行高频信号的测试，使用的是Flash型ADC。

Flash型ADC又称为并行ADC，其结构如图4.8所示（来源：Understanding Flash ADCs，http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/810）。假设ADC的位数为N位，则ADC的输入满量程REF被2N个完全相同的分压电阻等分为2N-1份，后面紧跟着2N-1个比较器。输入信号经放大和采样后同时与这2N-1个比较器进行比较，根据比较器的结果再进行译码就可以得出被测信号当前点的电压值。

图4.8 Flash型ADC的工作原理

从前面的描述可以看到，Flash型ADC的转换结果是多个比较器同时并行比较并译码得到的，因此其工作速度比较快。但是从上面的结构也可以看出这种ADC的缺点，主要缺点如下：

|分辨率做不高，如果要实现N位的ADC就需要2N个分压电阻和2N-1个比较器，芯片的功耗、尺寸成本随着位数的增加呈几何级数上升，因此Flash型ADC的位数一般最高做到8位。

|对器件一致性要求高，Flash型ADC对其内部的分压电阻以及比较器的一致性要求非常高，否则就会对器件的线性度造成很大影响，因此对工艺的要求比较高。

对于数字实时示波器，其最关键的要求是要有高的采样率以实现对高带宽的信号采样，因此市面上绝大部分数字实时示波器使用的都是Flash型ADC。也正因为这个原因，市面上绝大部分数字实时示波器的垂直分辨率都是8位的（现在也开始出现更高位分辨率的示波器），其直流电压或者信号幅度的测量精度并不是太高。

Flash型ADC对于内部电路的分压电阻、比较器的一致性要求比较高，否则线性度会不太好。为了提高其线性度，实时示波器通常会事先对其线性度、偏置误差、增益等进行校准。最常用的校准方法就是用一个更高位数的DAC（数模转换器）产生不同的直流电平送给示波器的输入端，根据示波器测量到的实际结果进行修正和校准。图4.9是用16bit的DAC输出对示波器8bit的ADC进行校正的一个示意图，有些示波器的Aux Out或者Cal Out输出口就可以产生这样的校准信号输出。

为了提高信号的测量精度和分辨率，随着芯片技术的发展，现在有些新型的示波器也在采用更高位数的ADC。图4.10是一款高精度示波器上使用的单片40GHz采样率、10bit分辨率的ADC芯片，可以在8GHz带宽范围内提供10bit的信号分辨率，未来通过拼接可以用于更高带宽的示波器上。

图4.9 示波器进行增益和偏置误差自校正的方法

图4.10 单片40GHz采样率、10bit分辨率的ADC芯片

示波器的ADC位数提升以后，直观的感觉是提高了对小信号的分辨能力。图4.11是在10bit分辨率的示波器上用特殊的软件版本做的一个测试。此时，示波器的垂直量程设置为600mV/格，满量程为8格，也就是4.8V。如果ADC位数为8bit，则最小信号的分辨率为4.8V/256≈18.8mV；而如果ADC位数为10位，则最小信号的分辨率为4.8V/1024≈4.6mV。通过对当前量程下底噪声的数学放大显示，在图4.11下半部分可以看到明显的对于噪声量化时形成的一条条的水平分割线，水平线间的垂直间隔在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号分析能力。

需要注意的是，上述实验是给示波器加载了特殊软件版本后看到的原始的ADC量化后的结果。正常的示波器软件会对示波器的非线性、频响等误差进行修正，还要对波形做内插处理和显示，因此在正常的示波器软件版本上，可能看不出这种明显的水平分割线。

另外，ADC的位数高并不一定会带来好的测量效果。因为示波器是一套复杂的测量系统，其噪声和失真的来源除了ADC芯片外，还可能来源于前端放大器及内部的电源及时钟电路。所以，仅仅看ADC的标称位数是不够的，还要看其在真实测量情况下的底噪声、信号失真、等效位数等的表现。

图4.11 示波器分辨率的实验