像這個行業的許多人一樣，我喜歡技術。在泰克工作，當我們率先推出新技術時，我很興奮，比如泰克 MDO4000 混合域示波器。但我也對其他測試和測量供應商的創新感興趣。

去年，Teledyne LeCroy 推出了 WaveRunner HRO，即高分辨率示波器。他們今年將其重新命名為 HDO 或高清示波器。這個想法是使用 12 位數字化儀而不是 8 位數字化儀來獲取波形。使用 8 位數字化儀，有 256 個電壓電平來定義波形。理論上，12 位意味著有 4096 個不同的電壓電平，分辨率有很大的提高。最近，安捷倫推出了 DSO9000H，這是一款競爭產品，它還承諾通過過采樣和處理實現 12 位性能。這樣的示波器應該允許您在存在大信號的情況下看到小信號，提供更高的直流增益精度，并減少信號上的噪聲。

那么泰克為什么不提供 12 位示波器呢？不是越多越好嗎？讓我們來復習。

對于那些剛接觸這個行業的人來說，更高位的示波器并不是什么新鮮事。以下是 Nicolet（12 位）和 LeCroy（10 位）的示例，但這個想法從未真正流行起來。

為什么不？首先，讓我從一個簡化的例子開始。下面是我在 2006 年開始使用泰克并第一次參觀俄勒岡州工廠時拍攝的照片。這是校園主樓前的花園和噴泉的照片。照片的來源是用我的數碼相機拍攝的高分辨率 RAW 圖像，縮小尺寸以適合此博客。分辨率足夠高，您可以清楚地看到標語上寫著“Howard Vollum Plaza Dedicated 2005”（Howard Vollum 是 Tektronix 的創始人）。

下面，我拍了同一張照片，并進一步降低了分辨率。現在其中的像素更少，細節也更少。你再也無法破譯花園里的標志了。

使用一個簡單的照片編輯工具，我能夠拍攝低分辨率照片并將其“增強”到全分辨率。但是，盡管圖像具有全分辨率，但您無法閱讀該標志。下圖和上圖之間的差異是來源。在這種情況下，即使是全分辨率，來源也缺乏我需要的細節來識別標志。所以更多的分辨率并沒有為我提供更多的細節，因為我現在已經介紹了錯誤的來源。

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更高的分辨率并不意味著更多的信息

現在讓我們看看這如何應用于 12 位示波器。

12 位數字化儀的斷言是各個電壓階躍更小，因此波形將具有更高的保真度。在下圖中，樓梯是數字化水平或量子。假設信號為 100mV 峰峰值，充滿了示波器的屏幕。理論上，8 位示波器只能顯示小至 390uV (100mV/256) 的信號特征，但 12 位數字化儀可顯示小至 24uV (100mV/4096) 的信號特征。但是這個理論在現實世界中是如何運作的呢？

首先要記住，雖然高分辨率數字化儀在低頻下可以有效，但它們在全帶寬下的有效位數要少得多。有效位數 (ENOB) 是在包括非線性、增益誤差、失真和噪聲等缺陷后 A/D 的真實分辨率。正如上圖是低分辨率源的高分辨率表示一樣，具有高分辨率數字化儀但其他誤差源的示波器也是如此。如果信號上有噪聲，那么額外的分辨率只是額外的噪聲位，并且像上面符號中的文本一樣的波形將保持模糊。

因此，當我看到新的數據表時，我做的第一件事就是尋找“有效位”，這是您可以在泰克技術參考資料中找到的常見測量方法。不幸的是，力科和安捷倫都沒有發布有效的鉆頭規范。實際的“有效位”是考慮錯誤后的有效量化大小。隨著帶寬的增加，噪聲也會增加，因此有效位也會降低。沒有這個數字，就很難評估 12 位示波器的優點。

進行射頻頻譜測量

由于我找不到任何有關有效位的參考資料，我確實在 LeCroy WaveRunner HDO 數據表上找到了 55dB 的信噪比 (SNR) 規格。SNR 是與有效比特類似的品質因數。在這種情況下，SNR 表示在存在大信號的情況下可以識別多小的信號。有理由認為，如果量化步長較小，則可以看到較小的信號騎在較大的信號上。奇怪的是，在 Agilent DSO9000H 數據表中找不到該規范。由于更高的數字化分辨率應該表明能夠看到更小的細節（例如上面的 Howard Vollum 符號），因此“高分辨率”示波器應該具有改進的信噪比。泰克 MDO4104-6 在其射頻路徑中使用了經過特別優化的 8 位數字化儀，并實現了典型的 60dB 無雜散動態范圍。在窄跨度中，實際信噪比（不包括雜散）可以接近 100dB。要了解更多關于泰克如何完成這項任務的信息，這里有一篇優秀的論文：/節點/50096

所以從 SNR 的角度來看，MDO 射頻路徑中的 8 位泰克數字化儀的性能優于所報道的 12 位力科 HDO 的性能，而安捷倫 9000H 的性能則根本沒有報道。

直流增益精度

看看其他規格，人們會希望，既然 LeCroy 和 Agilent 都宣稱它們的分辨率是 8 位示波器的 16 倍，那么測量結果會好 16 倍。然而，考慮一下他們報告的規范，DC 垂直增益精度。分辨率為 16 倍的示波器不應該更準確 16 倍嗎？然而，據報道，12 位 Agilent DSO9000H 的增益精度為 2%，而 8 位泰克 DPO7000 系列的增益精度為 1%。LeCroy HDO 確實以 0.5% 的值得稱贊的增益精度提高了這個數字，但它并沒有好 16 倍。

然而，即使是增益精度規范也不能說明全部情況。假設您輸入一個小的正偏置信號（無負擺幅）并且示波器設置為 10mV/div。在 LeCroy 示波器上，屏幕將從 -40mV 變為 +40mV，因為有 8 個分區。您需要設置 -40mV 偏移才能使用完整的數字化儀范圍。使用他們的數據表，這個 40mV 偏移的聲稱精度可以降低高達 8.5%。在相同的滿量程設置下，泰克 DPO7000 只會下降 5.9%。因此，一旦您使用偏移旋鈕使信號居中，即使是 0.5% 的增益精度優勢也會消失。

那些截圖呢？

但是這兩家公司的營銷文獻不是顯示了相同波形的 8 位和 12 位版本，而 12 位版本顯示的噪音更少，細節更多？他們會這樣做，但通常會裁剪屏幕截圖以不顯示時基。時基至關重要，因為當噪聲不是問題時，即在電源中發現的低頻信號上，12 位示波器將勝過在正常模式下運行的 8 位示波器。

那么這是否意味著 12 位示波器是功率測試的首選工具？在這個討論中迷失的是，8 位示波器確實有一種以 12 位分辨率查看低頻數據的方法，這就是所謂的“高分辨率模式”。下面是您從那些 12 位示波器中看到的完全相同的令人印象深刻的屏幕截圖，但它是使用正確使用的 8 位示波器（泰克 DPO7000）制作的。在這種情況下，由于在常規采樣模式下使用 8 位示波器進行采樣，主圖像顯示方波的頂部是模糊的。插圖是在高分辨率模式下使用 8 位示波器捕獲的相同信號，顯示了提高分辨率可以發現的小波紋。

8 位示波器上的高分辨率模式

在高分辨率模式下，數據顯著過采樣，然后在采集硬件中執行 boxcar 平均以實時平均，即使是單次數據也是如此。通俗地說，這意味著 8 位示波器可以提供高達 12 位的細節，這要歸功于其高過采樣率。這使得高頻 8 位示波器非常通用。您可以對 USB 2.0 等高速信號使用高采樣率，但對需要高達 12 位的精細測量使用高分辨率模式。

由此，尚不清楚 12 位示波器是否具有顯著的實際優勢。此外，您必須考慮到示波器不僅僅是其數字化儀。有前端、跟蹤和保持，關鍵是探測技術。考慮為其前端開發的新 ASIC 泰克，它支持 1GHz 無源探頭（在此處閱讀更多信息：/node/3686）。這允許使用簡單的無源探頭探測高達 300V 的電壓。相同的技術使 TPP0502 500MHz 探頭的衰減僅為 2 倍。有關更多詳細信息，請參閱我關于探針衰減的博客文章：http ://www.effectivebits.net/2011/09/probe-attenuation-overlooked.html. 如果您在前端之前將信號降低 10 倍，則會在信號中添加噪聲并減少有效位。雖然 12 位 ADC 是當今的現成技術，但支持具有這種性能的無源探頭動態范圍的 ASIC 是泰克獨有的。

正面交鋒——噪音表現

我最近有機會在高分辨率模式下測試了使用 10x 無源探頭的 LeCroy HRO 與使用 2x 無源探頭的 Tektronix DPO5000。兩臺示波器的帶寬都匹配到 500MHz。我決定測試的第一件事是噪聲性能，因為降低有效位的最大誤差源之一是垂直噪聲。如果 12 位示波器要具有比 8 位示波器更多的有效位數，則可以預期垂直噪聲應該要好得多。在頭對頭測試中，我發現 LeCroy 的噪聲優勢在沒有探頭的情況下是微不足道的，盡管具有 16 倍的量化優勢，但滿量程噪聲改善不到 0.1%。當我在 LeCroy 上放一個 10x 探頭，在 Tektronix 上放一個 2x 探頭，LeCroy 的噪音在某些設置下要高得多，因為它放大了更衰減的信號。泰克 DPO5000 能夠以更少的噪聲識別更小的信號細節，因為示波器不僅僅是一個數字化儀——它是信號路徑中所有內容的總和。

我還沒有測試過 Agilent DSO9000H，但他們的數據表確實指出了在 100mV/div 的單伏特每格設置下的一些噪聲規格。在此設置下，與同等的 8 位泰克 DPO7000C 相比，它僅具有 0.2% 的噪聲優勢，并且噪聲性能與 8 位泰克 DPO70000C 系列幾乎相同。

這里的結論是，在沒有附加輸入信號的情況下，12 位示波器的噪聲性能似乎稍好一些，但不足以在實際測量中產生影響。添加一個探頭，邊際噪聲優勢會很快消失

探針有很大的不同

同樣，許多人希望測量少量電流，并希望 12 位示波器能夠更好地測量開關電源的頂部和底部。對于常規的 100MHz 30A 電流探頭，泰克 TCP0030 的最低滿量程設置僅為 10mA，而 LeCroy CP031 則為 160mA。同樣，探頭靈敏度越低，總測量的噪聲就越高。

對于極小的電壓，Agilent 9000H 在屏幕上有 8 個垂直格，高阻抗時的最小靈敏度為 5mV/div。低于 5mV 的任何值都只是軟件縮放，沒有額外的分辨率位。戴上10x探頭，最靈敏的設置是8格*5mV*10x，也就是400mV全屏。如果 4096 位中的每一位都是完美的，那么最小量化電平將為 400mV/4096 或 97μV。泰克 DPO5000 有 10 個垂直分區，最小靈敏度為 1mV。加入2x探頭，最靈敏的設置是10格*1mV*2x或20mV全屏。將其除以 256，最小量化電平為 20mV/256 或 78μV。

總之，即使您假設 12 位是完美的并且 ENOB 不是問題，那么具有更通用前端和更靈敏探頭的 8 位示波器可以看到比 12 位更小的信號和更少的噪聲。位示波器。

通常還有其他驚喜，例如發現 LeCroy HDO 系列似乎沒有用于引入數字輸入的混合信號選項。如果在電源系統中使用 SPI 總線，則在監控電壓和電流時，實際上沒有足夠的輸入在 SPI 總線上觸發。

結論

這里的結論是 12 位示波器的營銷效果很酷，但與設計良好且使用得當的 8 位示波器相比，它們還沒有證明自己能夠解決任何測量挑戰。數字化儀可能是 12 位的，但該系統仍有其自身的局限性。ADC 技術可能會改進，市場上會看到高頻 12 位示波器在某些領域具有優勢。當那一天發生時，請留意反映改進的 SNR、全帶寬下更高的有效位、顯著降低的噪聲和更準確的直流增益測量的數據表。