是德示波器ADC采样后数字信号突变的成因分析

在高速数字测试与测量领域，示波器是捕捉信号瞬态特性、分析信号完整性的核心工具。其核心性能指标——垂直分辨率、动态范围和信噪比（SNR）——直接取决于模数转换器（ADC）的采样精度与前端电路设计。然而，在实际测试中，用户常发现ADC采样后的数字信号出现突变或非预期波动，这一现象可能源于硬件限制、噪声干扰或设置不当。

一、ADC在示波器中的作用与性能指标

1. ADC的核心功能

ADC（Analog-to-Digital Converter）将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，其性能决定了示波器的垂直分辨率和动态范围。根据奈奎斯特采样定理，ADC的采样率需至少为信号带宽的2倍，而分辨率（位数）则决定了信号量化的精细程度。

2. 关键技术指标

分辨率（n位）：ADC的量化电平数为2n。例如：

8位ADC：256级量化（每级代表满量程的1/256）。

12位ADC：4096级量化（精度提升16倍）。

信噪比（SNR）：反映ADC对噪声的抑制能力，SNR越高，有效分辨率越接近理论值。

有效位数（ENOB）：实际可用分辨率，受噪声、失真等因素影响，ENOB=6.02SNR−1.76。

3. 摩尔定律对ADC性能的影响

自1965年戈登·摩尔提出摩尔定律以来，IC晶体管密度的指数增长推动了ADC性能的飞跃。现代高速ADC已实现：

采样率：从MHz级提升至数十GHz（如Keysight UXR系列示波器支持110 GHz实时带宽）。

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

二、示波器ADC采样信号突变的成因分析

1. 量化误差与分辨率限制

现象：信号波形出现阶梯状突变或细节丢失。
原因：

低分辨率ADC：8位ADC的量化步进较大（如满量程800 mV时，步进为3.125 mV/级），导致小信号被“淹没”在量化噪声中。

SNR不足：若前端噪声超过ADC的理论分辨率，实际有效位数（ENOB）降低。例如，12位ADC在噪声干扰下可能仅发挥10位性能。

案例对比：

8位示波器：量化步进3.125 mV/级，难以捕捉微伏级信号变化。

10位示波器（如Keysight S系列）：量化步进0.156 mV/级（满量程16 mV时），可分辨更小信号细节。

2. 垂直量程设置不当

现象：波形未占满屏幕时，分辨率显著下降。
原理：
ADC的分辨率利用程度与垂直量程设置密切相关。若波形仅占屏幕的1/4，实际有效位数可能从8位降至6位（分辨率损失与波形占屏比例的平方根成反比）。

优化方案：

满屏显示：调整垂直刻度使波形尽可能占满屏幕（如Keysight示波器推荐使用最灵敏量程）。

避免软件放大：传统示波器在垂直刻度低于10 mV/格时可能启用软件放大，导致分辨率不升反降（如8位示波器在7 mV/格时分辨率仅218 μV/级，而10位示波器在2 mV/格时可达15.6 μV/级）。

3. 前端噪声干扰

现象：低电平信号被噪声覆盖，导致ADC采样值波动。
来源：

探头噪声：无源探头带宽不足或接地不良引入高频噪声。

示波器前端电路：放大器、ADC驱动电路的热噪声和电源噪声。

环境干扰：电磁辐射（EMI）通过示波器外壳或探头耦合至信号路径。

解决方案：

使用低噪声探头：如Keysight N7020A有源探头（噪声密度≤0.9 nV/√Hz）。

启用硬件滤波：利用示波器的带宽限制功能（如20 MHz低通滤波）抑制高频噪声。

优化接地：缩短探头接地线长度，采用接地弹簧或接地环。

4. ADC非线性误差

现象：信号幅度较大时出现失真或谐波干扰。
原因：

积分非线性（INL）：ADC实际传输特性与理想直线的偏差，导致量化误差分布不均。

微分非线性（DNL）：相邻量化电平的宽度差异，可能引发“缺失码”问题。

应对措施：

选择高线性度ADC的示波器（如Keysight Infiniium UXR系列，INL≤±0.5 LSB）。

定期校准示波器，补偿ADC的非线性误差。

三、是德示波器分辨率优化实践

1. 硬件架构优势

Keysight示波器通过以下设计提升ADC采样质量：

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（需启用高分辨率模式）。

低噪声前端：采用Keysight ProBus架构，将前端噪声降低至传统设计的1/3。

硬件量化电平扩展：通过专利技术（如HyperView）在软件放大时保留更多有效位数。

2. 操作建议

小信号测试：

使用10位或12位示波器（如Keysight DSOX1204G）。

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

高速信号测试：

选择采样率≥5倍信号带宽的示波器（如UXR01104G支持110 GHz实时带宽）。

启用硬件触发和深度存储（如1 Gpts），避免软件插值导致的信号失真。

四、总结与扩展应用

ADC采样信号突变的根本原因包括量化误差、垂直量程设置不当、前端噪声和非线性误差。

是德示波器通过高分辨率ADC、低噪声前端和智能量化技术显著提升了信号保真度。

通过合理选择示波器型号、优化测试设置并理解ADC的底层原理，工程师可有效避免采样信号突变，确保测试结果的准确性与可重复性。