LOTO 示波器軟件功能8位~13位垂直分辨率講解

LOTO2018

      本文講解LOTO示波器的上位機垂直分辨率（ADC）可以從到8位一直可以到13位，但是它硬件上是八位ADC的，那是怎么做到垂直分辨率能達到13位呢？這中間是一個(gè)變化的過(guò)程，它并不是8位和13位兩個(gè)擋位，而是中間有9, 9.1,...... 到13這樣的變化，是通過(guò)犧牲采樣率，然后來(lái)彌補垂直分辨率。

圖1. 界面展示

      如圖1所示，現在時(shí)間擋位是1毫秒擋位，可以在示波器右上欄看到此時(shí)的垂直分辨率是8bit，它現在采用率是781 Khz，右側下部分是模式選擇，現在是峰峰值模式（Peak-detect Mode），Normal是常規模式或者叫實(shí)時(shí)模式，Hight-Res是高分辨率模式。在常規模式下，它的零電壓的噪聲線(xiàn)的粗細程度適中，然后我們再看峰峰值模式，相比常規模式，它的噪聲會(huì )更密，尖刺會(huì )更多一些，這是因為峰峰值模式是波形最真實(shí)的樣子。我們再看高分辨率模式，它的分辨率的精度就會(huì )非常高，基本上就沒(méi)有噪聲了，這時(shí)候界面顯示它是十位的垂直分辨率。峰峰值模式的時(shí)候垂直分辨率是八位。我們可以滾動(dòng)滑塊，這樣就可以控制它的分辨率位數，如圖2所示，在高分辨率模式下，滑動(dòng)該滑塊，最小的分辨率是9.1位，然后滾到另一頭，最大的分辨率是10.6位，此時(shí)波形精細一些。

       圖2. 高分辨率模式下的可調垂直分辨率演示

      9.1位時(shí)，它噪聲會(huì )大一些，不精細了，這個(gè)其實(shí)是犧牲一些采樣率來(lái)辦到的。

我們再看一下，現在時(shí)間擋位是一百兆采樣的檔位，高分辨率模式下，垂直分辨率是10.2位，峰峰值模式它就是8位，實(shí)時(shí)模式它也是8位。

如果我們用更高的采樣率，峰峰值模式和高分辨率模式也是8位。為什么都是8位？即便挪動(dòng)分辨率滑塊，它的位數也沒(méi)法變了，這是因為它已經(jīng)沒(méi)有辦法去犧牲采樣率來(lái)達到提升分辨率的目的了。

      那只有在測中速或者低速一點(diǎn)的信號，這種一百兆的擋位，它是有能力去犧牲采樣率然后再提升它的垂直分辨率的。我們來(lái)看一下它在波形上的反應，產(chǎn)生一個(gè)PWM波信號，頻率是200hz，那這種情況下我們用的是峰峰值模式，它波形是很粗的，如圖3，為什么很粗？是因為疊加了一些本體噪聲，這是系統固有的， 也可能是環(huán)境中干擾進(jìn)來(lái)的電磁波或者是它電路本身會(huì )有一些噪聲。

   圖3. 峰峰值模式下的垂直分辨率

      那如果用實(shí)時(shí)模式，我們會(huì )發(fā)現這個(gè)噪聲會(huì )稀疏一些，如圖4所示，我們看高分辨率模式，波形會(huì )很細，它的噪聲幾乎看不見(jiàn)，見(jiàn)圖5，它通過(guò)犧牲了采樣率把垂直分辨率從8位變到10.5位，所以它會(huì )很清晰。

圖4. 實(shí)時(shí)模式下的垂直分辨率

圖5. 高分辨率模式下的垂直分辨率

      只有高分辨率模式下可以實(shí)現把我的示波器從8位的垂直分辨率提升到13位以?xún)鹊拇怪狈直媛�，那就是更大的時(shí)間擋位，對應的位數越高。取決于現在選的時(shí)間檔位和當前用的采樣率以及當前緩沖區域的大小，這三個(gè)因素綜合決定了垂直分辨率是多少位，它的好處優(yōu)勢是比如有一個(gè)波形，疊加了很?chē)乐氐母哳l噪聲，基本上看不清這個(gè)波形大概是什么形狀，那這時(shí)候我們用高分辨率模式，它就把那些高頻的噪聲去除掉了，可以把信號原本的樣子畫(huà)地清清晰晰。圖6是未采用高分辨率模式的波形，圖7是采用高分辨率模式下的波形。

圖6. 噪聲信號在峰峰值模式下的波形

  圖7. 噪聲信號在高分辨率模式下的波形

      峰峰值模式是最真實(shí)的狀態(tài)，它上面疊加了一些小尖刺，小噪聲，它是客觀(guān)存在的，不能因為說(shuō)我覺(jué)得信號不好看，就改成高分辨率模式，但是這個(gè)不是真實(shí)的。

      下面我們來(lái)看一個(gè)案例，我們故意采一個(gè)波形在邊沿有過(guò)沖，有尖刺的一個(gè)波形，那這個(gè)波形的尖刺是真實(shí)存在的，如圖8。那我們在高分辨模式下看它的邊緣就不會(huì )有尖刺，就是通過(guò)算法，損失掉了一部分突發(fā)的尖刺信息，見(jiàn)圖9。

圖8. 帶尖刺噪聲的方波信號

    圖9. 高分辨率模式下的尖刺方波信號

      我們看這個(gè)圖，是一臺傳統的數字示波器采的波形，見(jiàn)圖10，跟我們剛才看的演示是一樣的，第一張圖像是8位ADC的采樣，它是峰峰值模式的采樣，上面疊加了很多的固有噪聲，這是正常。然后第二個(gè)波形，就是我們剛才用的分辨率的算法得到的，第三個(gè)波形是真正的用一個(gè)硬件是12位的ADC采集到的波形，這三個(gè)對比就比較直觀(guān)了。

   圖10. 傳統示波器不同位數下的波形

圖11. 12位和16位的對比

      接下來(lái)這個(gè)圖也能說(shuō)明不同分辨率引起的波形問(wèn)題。如圖11，這是12位和16位的對比，紅色的是12位的，造成梯度的原因就是它分辨率低，它把臨近的兩個(gè)點(diǎn)是分不清的，所以一直在上下跳。如果把紅線(xiàn)波形壓縮看，它就是一個(gè)很粗的一個(gè)線(xiàn)。這種情況下藍色的16位就是很細的一個(gè)線(xiàn)。對于紅色的波形，如果是由軟件誤差產(chǎn)生的噪聲，那我們通過(guò)算法可以得到黑色的波形，就是過(guò)采樣，犧牲一些采樣率來(lái)提升的分辨率，它跟16位的也是有點(diǎn)像的。

它的原理見(jiàn)圖12，圖中原始信號的波形是正弦波，我們ADC采樣可以采集很多個(gè)橙色的小球。那如果是實(shí)施采樣，圖中畫(huà)的是藍色的點(diǎn)，那我們該怎么取藍色點(diǎn)呢？我們能先取黃色的小點(diǎn)放上去，然后中間的一些灰色點(diǎn)就丟掉了。那這種的是實(shí)時(shí)模式。

圖12. 不同模式信息采集原理

      峰峰值模式就是這些灰色的點(diǎn)，也不分段，一個(gè)不丟，它有一部分是有一個(gè)壓縮的一個(gè)算法，可以把它壓縮。但是這之間出現的尖刺最后都能還原出來(lái)，這是峰峰值模式。

      高分辨率模式簡(jiǎn)單的說(shuō)，圖中我們多個(gè)橙色的點(diǎn)畫(huà)成一個(gè)綠色點(diǎn)，這么多點(diǎn)畫(huà)成一個(gè)綠色點(diǎn)是通過(guò)取平均，取平均以后它的分辨率就會(huì )提升了，相當于提升了垂直分辨率，但是能提升多少呢？這取決于取平均的點(diǎn)數，即使參與點(diǎn)數的多少。這個(gè)就是說(shuō)我們可以犧牲采樣率來(lái)提升分辨率。能提升多少就跟能犧牲多少采樣率有關(guān)了。前面我們提到的有些擋位，可以犧牲很多采樣率，這些點(diǎn)我可以取很多，這么多點(diǎn)求平均，波形一定能很細膩，但是有些檔位點(diǎn)數就不夠了，采樣點(diǎn)就很少了，可能就兩個(gè)或者三個(gè)點(diǎn)取平均，或者壓根就沒(méi)有取平均，采樣點(diǎn)有多少就畫(huà)多少，這時(shí)候就沒(méi)辦法提升采樣率了。

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