數(shù)字化儀的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是帶寬和幅度分辨率。這兩個(gè)參數(shù)不是獨(dú)立的——隨著帶寬的降低，分辨率會(huì)提高。用戶必須權(quán)衡選擇數(shù)字化儀以滿足他們的測量需求。在實(shí)際測量中，噪聲和失真對(duì)數(shù)字化儀可實(shí)現(xiàn)的分辨率也有一定影響，本文將探討影響數(shù)字化儀精度的各類因素。

01

分辨率和動(dòng)態(tài)范圍

數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)的樣本轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。ADC的分辨率是指數(shù)字化儀輸入樣本的位數(shù)。對(duì)于n位ADC，可產(chǎn)生的離散數(shù)字電平數(shù)為2的n次方。因此，12位數(shù)字化儀可以解析2的12次方即4096級(jí)。最低有效位(lsb)表示可以檢測到的最小間隔，在12位數(shù)字化儀的情況下為1/4096或2.4×10伏。要將lsb轉(zhuǎn)換為電壓，我們將數(shù)字化儀的輸入范圍除以2即可得到。表1顯示了分辨率為8至16位的數(shù)字化儀在1伏（±500mV)輸入范圍內(nèi)的lsb。

分辨率決定了測量的精度。數(shù)字化儀分辨率越高，測量值越精確。帶有8位ADC的數(shù)字化儀將輸入放大器的垂直范圍劃分為256個(gè)離散電平。對(duì)于1V的垂直范圍，8位ADC無法理想地處理小于3.92mV的電壓差；而具有65,656個(gè)離散電平的16位ADC則可以處理低至15的電壓差。

使用虹科高分辨率數(shù)字化儀的一個(gè)原因是可以測量小信號(hào)。根據(jù)計(jì)算最小電壓電平的方式，我們可以使用分辨率較低的儀器和較小的滿量程范圍來測量較小的電壓。然而，許多信號(hào)同時(shí)包含小信號(hào)和大信號(hào)分量。因此，對(duì)于具有大電壓分量和小電壓分量的信號(hào)，需要具有大動(dòng)態(tài)范圍和能夠同時(shí)測量小信號(hào)和大信號(hào)能力的高分辨率儀器。

圖1 虹科數(shù)字化儀分辨率對(duì)測量精度的比較

如果波形通過不同分辨率的數(shù)字化儀會(huì)是什么樣子？圖1比較了12、14和16位理想數(shù)字化儀對(duì)一段±200mV阻尼正弦波形的響應(yīng)。所選的段接近波形的末端并且幅度很小。14位和16位數(shù)字化儀具有足夠的分辨率來準(zhǔn)確呈現(xiàn)信號(hào)，但100分辨率（基于±200mV的滿量程電平）的12位數(shù)字化儀無法解析小于100的電平。對(duì)于任何分辨率，讀數(shù)誤差都會(huì)隨著信號(hào)幅度的減小而增加。這是一個(gè)理想狀況，稍后我們將研究現(xiàn)實(shí)中限制準(zhǔn)確性和精度的因素。

02

分辨率與采樣率

圖2：作為采樣率函數(shù)的數(shù)字化儀分辨率圖，圖上的趨勢線顯示了虹科Spectrum產(chǎn)品與競爭對(duì)手之間的差異。

如前所述，分辨率和最大采樣率以及帶寬之間存在折衷。更高的分辨率是以更低的最大采樣率為代價(jià)的，如圖2所示。虹科 Spectrum M4i系列的14位和16位模型相比其他品牌具有更高的有效采樣率。

03

實(shí)現(xiàn)最大分辨率的限制

數(shù)字化儀誤差有多種來源，可以分為噪聲和失真。

失真是采集波形中與被測信號(hào)高度相關(guān)的誤差。失真不是隨機(jī)的，而是取決于輸入信號(hào)。最常見的失真形式是諧波失真。在諧波失真的情況下，失真分量在頻域中出現(xiàn)在輸入頻率的整數(shù)倍處。諧波失真的典型來源是數(shù)字化儀系統(tǒng)傳遞函數(shù)的非線性，包括飽和、削波、壓擺率限制等。由于每個(gè)ADC的增益和偏移不匹配，交錯(cuò)多個(gè)AC以實(shí)現(xiàn)更高采樣率的數(shù)字化儀配置會(huì)在采樣頻率上增加顯著失真，被稱為交錯(cuò)失真。

與失真相反，噪聲被定義為與輸入信號(hào)不相關(guān)的誤差。噪聲可以是誤差信號(hào)的任何部分，其頻率位置不是輸入頻率的函數(shù)所得。噪聲可以根據(jù)噪聲的分布（即誤差直方圖的形狀）或噪聲頻譜的形狀分為幾類。當(dāng)根據(jù)頻率形狀進(jìn)行分類時(shí)，均勻分布在所有頻率上的噪聲稱為白噪聲。分布使得每倍頻程噪聲功率恒定的噪聲稱為粉紅噪聲。除了這兩類外還有許多其他噪聲形狀。

噪聲也可以按直方圖的分布進(jìn)行分類。具有正態(tài)分布的噪聲稱為高斯噪聲。高斯噪聲的來源很多。噪聲也是通過量化產(chǎn)生的，實(shí)際上是將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓時(shí)的舍入誤差。

圖3：有和沒有幅度噪聲的阻尼正弦波形

所有電子設(shè)備中都會(huì)出現(xiàn)噪聲，設(shè)計(jì)人員盡一切努力減少添加到輸入信號(hào)中的噪聲。增益級(jí)特別容易產(chǎn)生和增加數(shù)字化儀中的噪聲電平。

失真和噪聲都限制了數(shù)字化儀可以實(shí)現(xiàn)的分辨率。可以從圖3看出，噪聲通過向每個(gè)樣本值添加隨機(jī)分量，限制了數(shù)字化儀解析小幅度值的能力。帶有附加噪聲的曲線顯示的幅度轉(zhuǎn)換超過了顯示波形右側(cè)的信號(hào)峰值幅度，從而掩蓋了實(shí)際的信號(hào)結(jié)構(gòu)。隨著噪聲水平的增加，它將使具有更高幅度值的信號(hào)分量變得模糊，從而進(jìn)一步降低測量的分辨率。

圖4：帶噪聲和不帶噪聲的阻尼正弦的頻率視圖。添加高斯白噪聲會(huì)提高與噪聲幅度成比例的基線。

類似地，圖4顯示了有和沒有白噪聲的阻尼正弦信號(hào)的頻域頻譜。請(qǐng)注意，添加噪聲會(huì)提高頻譜的基線，任何幅度低于本底噪聲的信號(hào)都將被遮蔽，從而有效地限制數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)范圍。

圖5：時(shí)域中諧波失真對(duì)數(shù)字化波形的影響

圖5顯示了諧波失真對(duì)數(shù)字化波形的影響。在本例中，相對(duì)較大的三次諧波會(huì)改變數(shù)字化波形的形狀。如前所述，與源波形同步的失真以可重復(fù)的方式增加。通常，諧波失真的電平要低得多，并且在時(shí)域波形上不可見。

圖 6：未失真波形和諧波失真波形的頻譜比較

如圖6所示，使用快速傅里葉變換(FFT)的頻譜分析儀在頻域中評(píng)估諧波。在頻域中，您可以清楚地看到3次諧波。諧波和其他失真的存在會(huì)隱藏限制數(shù)字化儀動(dòng)態(tài)范圍的較小頻譜特征。衡量數(shù)字化儀輸出頻譜純度的一種方法是無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。SFDR定義為RMS信號(hào)頻率分量與其輸出端下一個(gè)較大頻譜分量（通常稱為“雜散”）的RMS值之比。圖6中的理想頻譜的SFDR約為81dB。

04

最小化噪聲和失真的影響

盡量減少失真的影響是數(shù)字化儀設(shè)計(jì)人員的職責(zé)，在設(shè)計(jì)中必須減少非線性、諧波失真和其他失真源。除了不過度驅(qū)動(dòng)數(shù)字化儀之外，用戶幾乎無法控制減少失真，但用戶可以控制最小化對(duì)噪聲的影響。以下是一些簡單的方法：

#1

在數(shù)字化儀的輸入范圍內(nèi)使正在分析的信號(hào)達(dá)到最大。這將使信噪比最大化。具有多范圍的數(shù)字化儀使這更容易，但要確保噪聲水平不隨輸入衰減而縮放。

#2

使用與應(yīng)用一致的最小測量帶寬。噪聲水平與帶寬成正比。這可以通過輸入帶寬限制或數(shù)字濾波來實(shí)現(xiàn)。使用信號(hào)處理來降低與平均測量次數(shù)成正比的噪聲水平，這種方法需要可重復(fù)的信號(hào)和多次采集。

#3

對(duì)于低電平信號(hào)，使用外部低噪聲放大器來提高信號(hào)電平并最大化信噪比。

#4

在完整的信號(hào)路徑中使用正確的端接。對(duì)于高帶寬，信號(hào)源、電纜和數(shù)字化儀端接的完整50歐姆端接是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

05

比較數(shù)字化儀的噪聲和失真性能

品質(zhì)因數(shù)是具有通用定義的測量值，可以立即傳達(dá)所描述測量系統(tǒng)的質(zhì)量。

除基線噪聲外，所有這些品質(zhì)因數(shù)均基于正弦輸入的數(shù)字化儀的頻域分析。它們?cè)贗EEE標(biāo)準(zhǔn)1057和1241中定義。大多數(shù)數(shù)字化儀供應(yīng)商在其數(shù)據(jù)表中指定了這些值。比較品質(zhì)因數(shù)時(shí)，請(qǐng)確保它們具有相同的輸入頻率、輸入幅度、采樣率和帶寬。

06

需要具有高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化儀的應(yīng)用

圖7：現(xiàn)代數(shù)字化儀系列示例，虹科 Spectrum M4i系列數(shù)字化儀平臺(tái)包括2和4通道版本，分辨率為14或16位，基于 PCI Express x8Gen2接口，支持高達(dá)3.4 GBytes/s的傳輸速率。

▲回波測距：回波測距測量，例如雷達(dá)、聲納、激光雷達(dá)、超聲和醫(yī)學(xué)成像。在這些應(yīng)用中，一個(gè)大的發(fā)射脈沖之后是一個(gè)弱得多的回波，數(shù)字化儀能夠準(zhǔn)確地處理兩個(gè)幅度信號(hào)。

▲紋波測量：需要測量具有高偏移值和偏移頂部的小變化信號(hào)，這兩個(gè)組件都需要進(jìn)行表征。

▲調(diào)制分析：幅度調(diào)制信號(hào)(AM、SSB、QAM等)表現(xiàn)出信號(hào)幅度的廣泛變化。

▲質(zhì)譜法：需要檢測質(zhì)荷比明顯不同的粒子或需要提高質(zhì)譜儀的靈敏度。

▲相位測量：相位測量需要測量非常小的幅度差異，以區(qū)分小的相位差。

▲傳播研究：測量不同路徑和通過不同媒介的信號(hào)路徑衰減通常會(huì)導(dǎo)致幅度值范圍很大。

▲組件測試：需要表征大的電壓或電流降。

07

測量示例

我們的測量示例使用虹科 Spectrum M4i系列數(shù)字化儀（圖7）。其ENOB規(guī)范在10MHz時(shí)大于11.6位。疊加在該測量上的是具有10位ENOB的數(shù)字化儀模擬。該數(shù)據(jù)使用 Spectrum的SBench6軟件以圖形顯示。

圖8 11.6（黃色曲線）和10（藍(lán)色曲線）有效位的測量比較。右側(cè)網(wǎng)格顯示擴(kuò)展（縮放）的相同數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意由于缺乏分辨率而導(dǎo)致藍(lán)色軌跡中的細(xì)節(jié)丟失

兩個(gè)測量都顯示在左側(cè)網(wǎng)格中，頻譜數(shù)字化儀曲線顯示為黃色，另一條曲線顯示為藍(lán)色。右側(cè)網(wǎng)格是水平和垂直擴(kuò)展的相同數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，由于分辨率有限，藍(lán)色曲線無法顯示低幅度細(xì)節(jié)。

08

結(jié)論

虹科數(shù)字化儀根據(jù)ADC中的位數(shù)指定理想分辨率。由于存在噪聲和失真產(chǎn)物，理想分辨率會(huì)降低，實(shí)際分辨率以基線噪聲、SNR、 SINAD和ENOB的形式指定。在選擇數(shù)字化儀時(shí)，可以根據(jù)測量需求選擇相應(yīng)分辨率的虹科數(shù)字化儀，同時(shí)還應(yīng)該考慮到其他因素，如低噪聲組件和布局、多輸入范圍、專用信號(hào)路徑和信號(hào)調(diào)理。

虹科測試測量團(tuán)隊(duì)

虹科是在各細(xì)分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測試測量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺(tái)的多種功能模塊，以及自動(dòng)化測試軟件平臺(tái)和測試系統(tǒng)，通用臺(tái)式信號(hào)源設(shè)備，高速數(shù)字化儀，EMC和射頻測試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過25個(gè)大型和超大型自研系統(tǒng)項(xiàng)目。我們的解決方案已在汽車電子、半導(dǎo)體、通信、航空航天、軍工等多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證。此外，我們積極參與半導(dǎo)體、汽車測試等行業(yè)協(xié)會(huì)的工作，為推廣先進(jìn)技術(shù)的普及做出了重要貢獻(xiàn)。至今，虹科已經(jīng)先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項(xiàng)目，并且獲得了行業(yè)內(nèi)用戶極好口碑。