硬件设计-ADC和低本底噪声为何至关重要

简介

在工程领域，精度是核心要素。无论是对先进电子设备执行质量和性能检测，还是对复杂系统进行调试，测量精度的高低都直接关系到项目的成功与否。这时，示波器中的垂直精度概念就显得尤为重要，它衡量的是电压与实际被测信号电压之间的一致性。而要实现高垂直精度，关键在于两个因素：一是模数转换器 (ADC) 的位数，二是示波器的本底噪声。

ADC 位数的作用

示波器的横轴代表时间基准，通常以s/div来表示，而纵轴则表示电压，以V/div为单位。垂直精度关乎示波器所显示的信号电压的精确程度，这对于直观地显示电信号的波形和特征以及实现精确的测量都至关重要。简而言之，示波器屏幕上读取的电压值与实际信号电压越接近，就意味着其垂直精度越高。

为了获得最佳的读数结果，工程师们需要依赖那些拥有最高ADC 位数以及最低本底噪声的示波器。更高的 ADC 位数可提供更高的垂直分辨率，从而使得信号的显示效果更为精确。而较低的本底噪声，则能最大限度地降低示波器对信号产生的干扰。这种组合可确保示波器能够准确地捕捉和显示信号的细节，将可能影响测量结果的任何失真或噪声降至最低。

详细来说，一个具有8 位 ADC 的示波器，能够将模拟输入信号编码为 256 个不同的等级（28=256）。每当ADC的位数增加一位，代表其可以转换成的信号等级数量就增加一倍。因此，9 位ADC的转换精度是 512 个信号等级（29 = 512），10 位ADC的转换精度则是 1,024 个信号等级（210 = 1,024），依此类推。

配备 14 位 ADC 的示波器，可将模拟输入信号编码为 16,384 个等级（214 = 16,384）。这一分辨率是常规 12 位 ADC 示波器的 4 倍，更是 8 位 ADC 示波器的 64 倍。得益于这种超高的分辨率，示波器能够捕捉到信号中更精细的细节信息，进而提供更准确的波形显示。

当这一原理在设定为每格100 mV垂直刻度、且拥有8个垂直分格的示波器上应用时，示波器的全屏显示范围达到了 800 mV（100 mV/div * 8 ）。若采用 8 位 ADC 时，这800 mV的全屏范围被划分为 256 个等级，因此意味着每个等级的分辨率约为 3.125 mV。相比之下，当采用14 位 ADC 时，相同的 800 mV 显示范围则能被精细地分割成 16,384 个等级，使得每个等级的分辨率高达48.8 µV。如图 1 所示，如此大幅度的分辨率提升，让工程师们能够捕捉到信号中更为细微的变化，并进行精确测量。

低本底噪声的重要性

尽管更高的ADC 位数对垂直精度至关重要，但它并非唯一的考量因素。示波器的本底噪声同样也扮演着举足轻重的角色。这里所说的本底噪声，是指示波器本身所产生的固有噪声，它有可能对正在测量的信号产生干扰，进而引发读数的不准确。

包括示波器在内的所有电子设备都会产生一定程度的噪声。不过，是德科技的目标是尽可能地减少噪音干扰。较低的本底噪声意味着示波器对信号的影响会减少，从而使测量结果更加精确。此外，值得注意的是，小于该本底噪声的信号细节将无法被用户观测到。这一点在测量微小电压时显得尤为重要，因为在这种情况下，即使是很小的噪声也会导致读数出现显著偏差。

例如，图 2 展示了一台示波器正在对53 µV的信号进行测量。在设定为 2mV/div的情况下，该示波器的本底噪声小于 50 µV 。得益于如此低的本底噪声，这台示波器能够成功捕捉到微小的 53 µV 信号。然而，如果换用其他通用示波器，由于它们的本底噪声往往超过 100 µV ，因此这个信号就很可能会被噪声所掩盖，从而无法被观测到。

集高 ADC 位数和低本底噪声于一身

将高位数的ADC与低本底噪声相结合，能够实现极高的垂直精度。这样一来，示波器便能够最准确地捕捉和显示信号，使工程师能够进行精确的测量，并有效避免可能导致重大损失的错误。

例如，如果示波器具有 14 位 ADC，并在 2 mV/div、1 GHz 带宽下针对 50 Ohm的输入能保持本底噪声小于 50µV，那么它将展示出卓越的垂直精度，进而使工程师能够捕捉到信号中最微小的变化。这一优势对于工程师深入洞察、理解、调试以及表征设计而言至关重要。此外，示波器结果不准确可能会延长开发周期、影响产品质量，甚至可能导致组件选择上的风险增加。因此，工程师需要依靠那些能够为他们提供最佳见解和最高准确性的工具和技术。

总结

必须明确的是，并非所有示波器的性能都是一样的。工程师们应该选择那些ADC 位数最高且本底噪声极低的示波器，以确保达到最高的垂直精度。这种组合可确保示波器能够准确地捕捉和显示信号，最大限度地减少可能影响测量结果的任何失真或噪声干扰。高垂直精度对于精确测量、减少误差以及节省时间和资源等方面而言至关重要。因此，工程师若投资和使用具备高垂直精度的示波器，便可对其测量结果充满信心，进而提高调试效率。