【導讀】在工程領域，精度是核心要素。無論是對先進電子設備執行質量和性能檢測，還是對復雜系統進行調試，測量精度的高低都直接關系到項目的成功與否。這時，示波器中的垂直精度概念就顯得尤為重要，它衡量的是電壓與實際被測信號電壓之間的一致性。而要實現高垂直精度，關鍵在于兩個因素：一是模數轉換器 (ADC) 的位數，二是示波器的本底噪聲。
在工程領域，精度是核心要素。無論是對先進電子設備執行質量和性能檢測，還是對復雜系統進行調試，測量精度的高低都直接關系到項目的成功與否。這時，示波器中的垂直精度概念就顯得尤為重要，它衡量的是電壓與實際被測信號電壓之間的一致性。而要實現高垂直精度，關鍵在于兩個因素：一是模數轉換器 (ADC) 的位數，二是示波器的本底噪聲。
ADC 位數的作用
示波器的橫軸代表時間基準，通常以s/div來表示，而縱軸則表示電壓，以V/div為單位。垂直精度關乎示波器所顯示的信號電壓的精確程度，這對于直觀地顯示電信號的波形和特征以及實現精確的測量都至關重要。簡而言之，示波器屏幕上讀取的電壓值與實際信號電壓越接近，就意味著其垂直精度越高。
為了獲得最佳的讀數結果，工程師們需要依賴那些擁有最高ADC 位數以及最低本底噪聲的示波器。更高的 ADC 位數可提供更高的垂直分辨率，從而使得信號的顯示效果更為精確。而較低的本底噪聲，則能最大限度地降低示波器對信號產生的干擾。這種組合可確保示波器能夠準確地捕捉和顯示信號的細節，將可能影響測量結果的任何失真或噪聲降至最低。
詳細來說，一個具有8 位 ADC 的示波器，能夠將模擬輸入信號編碼為 256 個不同的等級（28=256）。每當ADC的位數增加一位，代表其可以轉換成的信號等級數量就增加一倍。因此，9 位ADC的轉換精度是 512 個信號等級（29 = 512），10 位ADC的轉換精度則是 1,024 個信號等級（210 = 1,024），依此類推。
配備 14 位 ADC 的示波器，可將模擬輸入信號編碼為 16,384 個等級（214 = 16,384）。這一分辨率是常規 12 位 ADC 示波器的 4 倍，更是 8 位 ADC 示波器的 64 倍。得益于這種超高的分辨率，示波器能夠捕捉到信號中更精細的細節信息，進而提供更準確的波形顯示。
當這一原理在設定為每格100 mV垂直刻度、且擁有8個垂直分格的示波器上應用時，示波器的全屏顯示范圍達到了 800 mV（100 mV/div * 8 ）。若采用 8 位 ADC 時，這800 mV的全屏范圍被劃分為 256 個等級，因此意味著每個等級的分辨率約為 3.125 mV。相比之下，當采用14 位 ADC 時，相同的 800 mV 顯示范圍則能被精細地分割成 16,384 個等級，使得每個等級的分辨率高達48.8 μV。如圖 1 所示，如此大幅度的分辨率提升，讓工程師們能夠捕捉到信號中更為細微的變化，并進行精確測量。
圖1：隨著 ADC 位數的增加，轉換的信號等級數量也隨之增加。這就帶來了更高的垂直分辨率，使工程師能夠測量更加微小的信號變化
低本底噪聲的重要性
盡管更高的ADC 位數對垂直精度至關重要，但它并非唯一的考量因素。示波器的本底噪聲同樣也扮演著舉足輕重的角色。這里所說的本底噪聲，是指示波器本身所產生的固有噪聲，它有可能對正在測量的信號產生干擾，進而引發讀數的不準確。
包括示波器在內的所有電子設備都會產生一定程度的噪聲。不過，是德科技的目標是盡可能地減少噪音干擾。較低的本底噪聲意味著示波器對信號的影響會減少，從而使測量結果更加精確。此外，值得注意的是，小于該本底噪聲的信號細節將無法被用戶觀測到。這一點在測量微小電壓時顯得尤為重要，因為在這種情況下，即使是很小的噪聲也會導致讀數出現顯著偏差。
例如，圖 2 展示了一臺示波器正在對53 μV的信號進行測量。在設定為 2mV/div的情況下，該示波器的本底噪聲小于 50 μV 。得益于如此低的本底噪聲，這臺示波器能夠成功捕捉到微小的 53 μV 信號。然而，如果換用其他通用示波器，由于它們的本底噪聲往往超過 100 μV ，因此這個信號就很可能會被噪聲所掩蓋，從而無法被觀測到。
圖2：本底噪聲小于 50 μV 的示波器可捕捉到 53 μV 的微弱信號，相比之下，這樣的信號在其他通用示波器的本底噪聲中往往會被淹沒而無法被觀測到
集高 ADC 位數和低本底噪聲于一身
將高位數的ADC與低本底噪聲相結合，能夠實現極高的垂直精度。這樣一來，示波器便能夠最準確地捕捉和顯示信號，使工程師能夠進行精確的測量，并有效避免可能導致重大損失的錯誤。
例如，如果示波器具有 14 位 ADC，并在 2 mV/div、1 GHz 帶寬下針對 50 Ohm的輸入能保持本底噪聲小于 50μV，那么它將展示出卓越的垂直精度，進而使工程師能夠捕捉到信號中最微小的變化。這一優勢對于工程師深入洞察、理解、調試以及表征設計而言至關重要。此外，示波器結果不準確可能會延長開發周期、影響產品質量，甚至可能導致組件選擇上的風險增加。因此，工程師需要依靠那些能夠為他們提供最佳見解和最高準確性的工具和技術。
總結
必須明確的是，并非所有示波器的性能都是一樣的。工程師們應該選擇那些ADC 位數最高且本底噪聲極低的示波器，以確保達到最高的垂直精度。這種組合可確保示波器能夠準確地捕捉和顯示信號，最大限度地減少可能影響測量結果的任何失真或噪聲干擾。高垂直精度對于精確測量、減少誤差以及節省時間和資源等方面而言至關重要。因此，工程師若投資和使用具備高垂直精度的示波器，便可對其測量結果充滿信心，進而提高調試效率。
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作者：是德科技產品營銷經理 Michelle Tate
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