垂直分辨率概念

用數(shù)字示波器測(cè)量模擬信號(hào)第一步就是用ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）把探棒接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的分辨率直接決定了示波器垂直方向上的采樣精度。比如ADC是8位，那么垂直方向上的信號(hào)可以被切分成00000000~11111111一共2的8次方，256段。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的垂直分辨率，就是數(shù)字示波器的垂直分辨率，代表示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的精確程度。

數(shù)字示波器所顯示的垂直分別率由什么決定

優(yōu)先級(jí)從高到低

1.前端ADC的分辨率

2.顯示屏分辨率：它決定了經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)，有多少可以被顯示出來(lái)。比如ADC雖然可以在垂直方向上顯示256段，但是可能顯示屏的分辨率垂直只有240個(gè)像素點(diǎn)，那么有一部分點(diǎn)會(huì)被合并成1個(gè)像素顯示。

3.插值算法：實(shí)際的示波器，上面顯示的像素點(diǎn)不一定都是實(shí)際采樣生成的，一部分是通過(guò)插值算法計(jì)算出來(lái)的虛擬的點(diǎn)，好的插值算法會(huì)使插值的點(diǎn)與實(shí)際的點(diǎn)差異比較小。

垂直精度

當(dāng)我們用同一個(gè)示波器在不同垂直檔位下測(cè)量同一信號(hào)時(shí)，得到的測(cè)量結(jié)果往往是不一樣的。

比如我們測(cè)量一個(gè)2V的方波信號(hào)，在垂直檔位為2V時(shí)，測(cè)出幅值可能為1.960V。

在垂直檔位為500mV時(shí)，測(cè)出幅值為1.980V。

為什么會(huì)這樣？因?yàn)樗婕暗酱怪狈直媛实膯?wèn)題，假設(shè)當(dāng)垂直檔位為500mV/div時(shí)，示波器垂直方向有10格，則其垂直分辨率由ADC的分辨率決定，即為(500mV*10）/256=19.531mV，也就是ADC不能分辨小于19.531mV的電壓信號(hào)。測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，在垂直檔位為2V/div的情況下，ADC能分辨的信號(hào)為（2000mV*10）/256=78.125mV，小于該電壓值的信號(hào)是不能測(cè)量的，即數(shù)字測(cè)量?jī)x器都是存在采集的量化誤差的，ADC的位數(shù)越高，量化誤差就會(huì)越小，但是它只能無(wú)限減小，并不能消除。

所以當(dāng)我們?cè)趯?duì)波形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，盡量使波形占滿示波器屏幕，目的就是為了提高垂直精度，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

通過(guò)改變算法來(lái)提高分辨率

數(shù)字示波器中ADC的位數(shù)越高，垂直分辨率越高，該分辨率由硬件決定，一旦確定無(wú)法改變。但示波器整個(gè)系統(tǒng)的有效位數(shù)形成的分辨率與前者不同，我們可以通過(guò)軟件提高分辨率。

目前大部分的示波器對(duì)ADC采樣后提高分辨率最常用的方法就是采用“平均”的做法。

在平均采樣方式中，可先設(shè)置一個(gè)平均次數(shù)N，之后示波器會(huì)對(duì)采集的N段波形，將它們按照觸發(fā)位置對(duì)齊，對(duì)N段波形進(jìn)行平均運(yùn)算，最終得到一段平均后的波形。

這種采樣方式降低隨機(jī)噪聲的同時(shí)并沒(méi)有損失帶寬，示波器系統(tǒng)的分辨率就會(huì)提高，但是平均模式會(huì)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)響應(yīng)變化的波形，以犧牲示波器的速度來(lái)?yè)Q取較高的分辨率，而且由于其處理方式的特殊性，決定了它適用的波形信號(hào)只能是周期信號(hào)。

總結(jié)

示波器顯示屏垂直方向上的分辨率本身就有限，另外測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，幅度本身就不準(zhǔn)確，在上限頻率處甚至有30%的誤差，而且垂直分辨率過(guò)高會(huì)提高模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間，影響采樣率，進(jìn)而影響帶寬，得不償失。一般示波器的垂直分辨率是8位，高分辨率的示波器達(dá)12位，如果示波器模擬電路本身的精度沒(méi)有提高，單純追求ADC的分辨率是沒(méi)有意義的。如果追求電壓的準(zhǔn)確度，應(yīng)該使用萬(wàn)用表，示波器更主要的功能是觀測(cè)波形的形狀，測(cè)量準(zhǔn)確度一般在2%以內(nèi)，這種準(zhǔn)確度應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)應(yīng)用是完全游刃有余的。