示波器的模数转换器ADC位数

随着电力电子技术的发展，低功耗器件的大量应用以及更加严苛的行业标准约束，工程师对测试的精度越来越关注。今天就让我们来谈谈ADC的位数对于示波器测试精准度的影响。

在示波器信号处理流程中，有个非常重要的硬件指标就是ADC的位数。

图1. 示波器信号处理流程简图

为什么很多工程师非常关注ADC指标？对测试的影响？

ADC模数转换器，很多高精度仪器会采用比较高位数的ADC，如功率分析仪基本会采用14或者16bit的ADC来搭建，而对于高精度的万用表甚至采用22bit ADC做信号的精准测量。那为什么市面上示波器则基本都是采用8bit ADC来作为信号的模数转换，因为8bit ADC可以将转换速率在十几个纳秒内完成，从而可以保证对于快速信号的时间分辨率和精度。这也就是为什么很多工程师会如此关注示波器的采样率，而很少关心示波器幅值测试的精度。示波器厂家在选择8bit ADC其实是对采集速度和幅值精度做一个最佳的平衡。

现在工程师面临着新的挑战，越来越多的场景需要准确测试高速小信号，传统的8bit 示波器就显得有点尴尬，工程师对现有示波器测试结果有所顾虑。

图2. Tek049芯片

新型12位ADC是目前世界上速度最快的转换器，内部运行速率达25GS/s，每通道采样率要比以前的同类示波器高出25%。12位实现了4096种垂直模数转换电平，分辨率比采用8位ADC的示波器高出16倍。每条ADC通道基于交织连续接近寄存器(SAR)结构，每块Tek049芯片包括四个ADCs，实现了100GS/s的总吞吐量。

12bit示波器成为“芯”趋势

电源设计工程师，面临着更多微小信号测试的场景。

1. 纹波测试，随着电力电子技术发展及应用，很多电源纹波已经得很小，尤其是板级设计电源轨纹波测试从几十mV到现在的十几mV甚至几个mV，传统的8bit示波器已经不能满足测试需求。

图3. 12bit ADC和8bit ADC示波器对开关管下沿测试对比

2. 开关器件系统调试，工程师会比较关注开关边沿的震荡信号，这非常考验示波器幅值测试的分辨率和精度。

如图3所示是开关导通的波形，为测试完整的波形，需要对示波器设定选择一个较大的量程；同时工程师需要对边沿的震荡的细节进行观测，上图是8bit和12bit示波器测试的对比。蓝色波形是8bit示波器测试，因为其垂直分辨率的限值放大后出现台阶式的波形，基本无法进行分析；绿色的波形是12bit示波器测试，放大后轻松准确的观测信号的细节。

图4. 12bit ADC和8bit ADC示波器测试效果对比

3. 还有一类更加挑战的测试就是叠加在一个大的信号上的小信号测试。为测试到信号的整体，必须选择一个较大的量程，但因为要看到其微小信号变化，归根结底还是验证示波器的垂直分辨率的指标。图4就非常清楚展示了不同的测试对比。

图5. 逆变器电压波形

在测量这种特殊器件时，其中一个突发包测得650V峰峰值，每隔1.7Hz发生一次，如图所示。为在示波器中捕获这个信号，我们需要700V满刻度(70V/div*10个竖格)，普通8bit示波器只能看到256个数字化电平( 泰克示波器在全部10个竖格中是256个数字化电平)，该量程下分辨率最小为2.8V左右。遗憾的是，信号基线中丢失了一个超低阻尼信号，其幅度不到几伏。

但是当采用12bit ADC示波器测试可以轻松把振铃细节从噪声中分离出来，清晰可见。现在可以查看直到30mV的细节！

图6. 满量程下对放大信号基线部分

示波器12bit ADC已经成为测试行业的趋势，泰克新一代12bit示波器大大增加了工程师的测试信心，也为工程师提供了准确测试高速信号的方法。