数字示波器的量化误差对信号保真度的影响

ADC（Analog-to-Digital Converter）指模/数转换器或者模拟/数字转换器，是将连续变换的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，也是数字示波器中最核心部件。在数字示波器中，ADC对进入示波器的模拟信号进行等间隔采样，并对样点幅度值进行二进制量化，供示波器后续存储、处理并显示出来。

图1数字示波器原理构架

ADC在量化的过程中，将实际的待测电压值用离散的二进制（0、1）表示，N bit ADC可以量化为N位二进制代码。如：8 bit ADC将示波器屏幕电压范围量化为00000000至11111111共256个二进制代码，这些二进制数结合示波器的垂直增益和偏置电压即可转换为示波器测量时读到的电压值。

ADC将连续的模拟信号量化为离散的数字信号时，由于没有无限数量的离散化数字电平来重组模拟信号，因此，实际的模拟电压值与对应的数字电平值之间总会有偏差，这个偏差值就叫示波器的量化误差。一定数值范围内的电压用相同的二进制代码来表示，如果将相邻两个量化电平之间的间隔称为量化台阶或量化步进（LSB），则量化误差可表示为±1/2 LSB。

ADC位数越高，量化电平数越多，量化步进越小，量化误差就越小。一般数字示波器ADC均为8bit ADC，可以转换2的8次方即256级量化电平。

数字示波器将各个ADC采样点的量化幅值以一定方式进行连接，最终可在示波器屏幕上显示出测量到的波形，如下图所示：
 

图2   真实波形与量化样点

由图2可知，示波器显示的量化波形与真实信号波形是存在误差的，误差大小与ADC的最小量化误差相关。如：在1V满量程下，6 bit ADC的最小量化误差等于1.0V/64 = 15.6mV，8 bit ADC的最小量化误差等于1.0V/256 = 3.9mV。因此，位数越高的ADC具有越小的最小量化误差，原则上对波形样点值的量化也更精准。

图3 ADC量化误差对比

用户选购一款示波器后，该示波器的最小量化误差已经确定，用户对示波器的垂直设置很大程度影响信号保真度。那么，如何使用示波器才能充分利用ADC的动态范围呢？

如图4所示，相同的信号，在不同的垂直量程下得到的最小量化误差值存在很大差别！对信号的保真度也有所差别。

左图使用了1V/div量程，以R&S®RTO示波器为例，此时它的满量程为1V/div × 10div = 10V，原理上最小量化误差10V/256 = 39.06mV。右图使用了0.5V/div的垂直量程个，则满量程为5V，最小量化误差5V/256 = 19.53mV。[page]

图4不同垂直灵敏度下的量化误差

由以上的推导可知，垂直量程越小，信号分辨率越高。所以我们推荐：在测量信号的时候对信号进行充分放大，让信号占满一整屏，此时测量到的信号量化误差最小，测量结果最精确！
 

图5 RTO示波器在不同垂直量程下的量化误差

需要指出的是，目前业内数字示波器的ADC采集主要有两种方式：单核ADC、多核拼接ADC，这就带来一个问题：究竟是单核ADC好还是多核ADC好？
答案显而易见，试想如果单核ADC就能达到10GSa/s的采样率，那为什么我们要选择由多个低速ADC拼接以达到10GSa/s的技术呢？

事实亦是如此。多核ADC技术主要是采用相位延迟控制，使得多个ADC之间的采样时钟存在时间延迟Δt，利用多个慢速ADC并行使用以提高采样率，具体原理如下图所示：

图6 多核ADC采样原理

实际应用中，多核ADC的数量可以很大，这就带来一个问题：ADC相位延迟误差和失配将带来时间信号的交错失真。利用数字示波器的FFT频谱分析功能时，则会在信号频谱上产生失真，频谱底噪上将引入较为严重的频谱毛刺现象，如图7所示：

图7 多核ADC引入的时域/频域交错失真

R&S®RTO示波器是业内唯一单核达到10GSa/s的示波器，因此，它具备了良好的信号保真度。配合RTO示波器的High Resolution高分辨率技术，即可实现12bit 分辨率。在此模式下，示波器的最小量化误差降低，信号保真度进一步提高，特别适合微弱小信号的测量。