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？這中間是一個變化的過程，它并不是8位和13位兩個擋位，而是中間有9, 9.1,...... 到13這樣的變化，是通過犧牲采樣率，然后來彌補垂直分辨率。

圖1. 界面展示

      如圖1所示，現在時間擋位是1毫秒擋位，可以在示波器右上欄看到此時的垂直分辨率是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時模式，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，它的噪聲會更密，尖刺會更多一些，這是因為峰峰值模式是波形最真實的樣子。我們再看高分辨率模式，它的分辨率的精度就會非常高，基本上就沒有噪聲了，這時候界面顯示它是十位的垂直分辨率。峰峰值模式的時候垂直分辨率是八位。我們可以滾動滑塊，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，它噪聲會大一些，不精細了，這個其實是犧牲一些采樣率來辦到的。

我們再看一下，現在時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，實時模式它也是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？即便挪動分辨率滑塊，它的位數也沒法變了，這是因為它已經沒有辦法去犧牲采樣率來達到提升分辨率的目的了。

      那只有在測中速或者低速一點的信號，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。我們來看一下它在波形上的反應，產生一個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， 也可能是環境中干擾進來的電磁波或者是它電路本身會有一些噪聲。

   圖3. 峰峰值模式下的垂直分辨率

      那如果用實時模式，我們會發現這個噪聲會稀疏一些，如圖4所示，我們看高分辨率模式，波形會很細，它的噪聲幾乎看不見，見圖5，它通過犧牲了采樣率把垂直分辨率從8位變到10.5位，所以它會很清晰。

圖4. 實時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現把我的示波器從8位的垂直分辨率提升到13位以內的垂直分辨率，那就是更大的時間擋位，對應的位數越高。取決于現在選的時間檔位和當前用的采樣率以及當前緩沖區域的大小，這三個因素綜合決定了垂直分辨率是多少位，它的好處優勢是比如有一個波形，疊加了很嚴重的高頻噪聲，基本上看不清這個波形大概是什么形狀，那這時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的狀態，它上面疊加了一些小尖刺，小噪聲，它是客觀存在的，不能因為說我覺得信號不好看，就改成高分辨率模式，但是這個不是真實的。

      下面我們來看一個案例，我們故意采一個波形在邊沿有過沖，有尖刺的一個波形，那這個波形的尖刺是真實存在的，如圖8。那我們在高分辨模式下看它的邊緣就不會有尖刺，就是通過算法，損失掉了一部分突發的尖刺信息，見圖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

      我們看這個圖，是一臺傳統的數字示波器采的波形，見圖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。然后第二個波形，就是我們剛才用的分辨率的算法得到的，第三個波形是真正的用一個硬件是12位的ADC采集到的波形，這三個對比就比較直觀了。

   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

      接下來這個圖也能說明不同分辨率引起的波形問題。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，它把臨近的兩個點是分不清的，所以一直在上下跳。如果把紅線波形壓縮看，它就是一個很粗的一個線。這種情況下藍色的16位就是很細的一個線。對于紅色的波形，如果是由軟件誤差產生的噪聲，那我們通過算法可以得到黑色的波形，就是過采樣，犧牲一些采樣率來提升的分辨率，它跟16位的也是有點像的。

它的原理見圖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橙色的小球。那如果是實施采樣，圖中畫的是藍色的點，那我們該怎么取藍色點呢？我們能先取黃色的小點放上去，然后中間的一些灰色點就丟掉了。那這種的是實時模式。

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，也不分段，一個不丟，它有一部分是有一個壓縮的一個算法，可以把它壓縮。但是這之間出現的尖刺最后都能還原出來，這是峰峰值模式。

      高分辨率模式簡單的說，圖中我們多個橙色的點畫成一個綠色點，這么多點畫成一個綠色點是通過取平均，取平均以后它的分辨率就會提升了，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數，即使參與點數的多少。這個就是說我們可以犧牲采樣率來提升分辨率。能提升多少就跟能犧牲多少采樣率有關了。前面我們提到的有些擋位，可以犧牲很多采樣率，這些點我可以取很多，這么多點求平均，波形一定能很細膩，但是有些檔位點數就不夠了，采樣點就很少了，可能就兩個或者三個點取平均，或者壓根就沒有取平均，采樣點有多少就畫多少，這時候就沒辦法提升采樣率了。

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