从 8 位到 12 位：垂直分辨率如何决定测量精度

一、问题的起点：被测信号更小了，也更「挤」了

开关电源的输出纹波，已从几十毫伏收敛至十几毫伏乃至几毫伏；在 SiC、GaN 器件的栅极平台上，真正决定驱动能力的，是十几伏信号里那几百毫伏的台阶；轻载待机时，待测对象不过是毫安级直流上叠加的一丝起伏。

这些变化带来两类挑战。其一，信号的绝对幅度持续下探；其二，小信号往往寄生在大信号之上——栅极平台的台阶旁边，立着三十伏的关断过冲；电流的细微起伏一侧，紧邻几安培的负载跳变。后者尤为棘手：为免波形削顶，垂直刻度必须让大信号占满屏幕，小信号能够分得的量化级数因此被大幅压缩。

于是测量精度最终取决于两件事：一是小信号究竟能分到多少量化级；二是链路噪声会不会把多争取来的那部分级数重新淹没。

二、第一件事：位数决定台阶能有多细

图 1　同一信号在 12 位与 8 位下的还原效果：量化等级由 256 级提升到 4096 级

2.1　从 256 级到 4096 级

ADC 位数 N 决定满屏量化级数：8 位 256 级，12 位 4096 级，相差 16 倍，折合量化噪声改善约 24 dB。这一差距不随量程改变，只取决于大、小信号之比。以 5 V/div（满屏 40 V）容纳 30 V 关断过冲为例，1 LSB 分别为 156 mV 与 9.8 mV；同一 0.5 V 台阶，前者仅分得 3 个码，后者分得 51 个码。三个码不成其为台阶，五十一个码则可读出高度与坡度。换挡无用——起作用的始终是 40 V : 0.5 V = 80:1。

2.2　与8位示波器相比的四大优势

一是量化误差更小。 同样按 40 V 满屏计算：8 位机的量化误差最大值约 ±78 mV，12 位机约 ±4.9 mV；量化噪声有效值从约 45 mVrms 降到约 2.8 mVrms。

二是小信号细节可分辨。 换成电流测量，账也是这么算的：用 1 V/A 电流探头测 20 mA 峰峰纹波，同一屏还要看 4 A 跳变，满屏按 4 A 计——8 位下 20 mA 只占一个多码，是一条抖动的粗线；12 位下约 20 个码，斜率与包络都读得出来。前提是配合 20 MHz 带宽限制并完成消磁调零。

三是分辨率不必拿带宽和捕获率来换。 8 位架构要提升分辨率，只能靠平均或高分辨率采集：对 4 个采样点求平均可增加 1 位，补足 4 位需平均 256 点，且要求信号严格重复、波形更新速率随之下降；高分辨率模式则是以带宽换取位数。硬件 12 位 ADC 不需要这笔交换——分辨率在 ADC 里就有，带宽与捕获率不受影响。

四是大动态范围下仍能读数。 上面这些叠加场景里，12 位让「不削顶」与「看得清」同时成立——在 80:1 这类场合，8 位机做不到。

表 1　具体测量场景对比

三、第二件事：噪声决定台阶能兑现多少

以上只算了位数一端。量化级数再多，噪声一覆盖，多出的位数就是空的。工程上以有效位数 ENOB 衡量真正可用的位数——由 SINAD 折算，ENOB = (SINAD − 1.76) / 6.02，噪声、失真与非线性悉数计入，故通常低于标称值。可见判断一台 12 位机，关键不在位数，而在整条链路上还剩多少可用位数。

同时须承认，12 位并非万能：同一屏若无大幅度信号，细化刻度足矣；若瓶颈在探头噪声与增益精度，多出的位数同样兑现不了。

四、两件事一并解决：麦科信的方案

4.1　做足位数：示波器的高垂直分辨率设计    

落在主机这一端，麦科信的 12 位高分辨率产品线覆盖了台式、模块化与便携平板多种形态——MHO6 系、MHO3 系、MO3 系、MHO1 系与 STO 系列全部采用硬件 12 位 ADC，这里重点介绍两款：

其一是带宽与通道数最高的 MHO6 系：8 个模拟通道，350 MHz / 500 MHz / 1 GHz 三档带宽（上升时间分别 ≤1 ns / ≤0.7 ns / ≤0.4 ns），全系最高 6 GSa/s 实时采样率、最大 1.8 Gpts 存储深度，最高波形捕获率 280,000 wfms/s，适合多通道同步的整机测试。

图 2　MHO6 系列：12 位 ADC、8 个模拟通道、6 GSa/s 实时采样

其二是把 12 位做进便携形态的 MHO1 系（MHO14-100 / MHO14-200）：8 英寸、3.1 cm 厚的平板机身，100 MHz / 200 MHz 带宽、4 通道、1 GSa/s 实时采样率、110 Mpts 存储深度，内置大容量锂电池并可选配万用表功能，适合现场调试与外场测试。

图 3　MHO1 系列（MHO14-100 / MHO14-200）：12 位 ADC、4 通道、1 GSa/s、110 Mpts，8 英寸便携平板

4.2　压住共模干扰：MOIP 光隔离探头

分辨率能否兑现，还要看探头这一端。浮地栅极上常叠着几十伏共模跳变：探头共模抑制比若只有 60 dB，30 V 共模会串入约 30 mV，在 40 V 满屏的 12 位机上占约 3 个码，原本要分辨的微小阶跃便先被这部分误差淹没；第三代 SigOFIT™ MOIP 的共模抑制比 DC 下 180 dB、1.2 GHz 下仍有 106 dB，同样条件下串入不到 0.2 mV，不足 1 个码。它的底噪最低 <0.3 mVrms（500 MHz 及以下型号），不侵占低位码；输入电容最低 1 pF，直流增益精度 1%。

图 4　第三代 SigOFIT™ MOIP 系列光隔离探头（200 MHz ~ 1.2 GHz）

五、小结

ADC 位数限定了量化阶梯的细分程度，而系统噪声水平决定各量化层级是否能够可靠兑现；上述两项指标共同决定单帧显示中小信号的可分辨分级数。麦科信采用双向协同设计：示波器硬件 ADC 原生实现 12 位分辨率，无需以带宽、波形捕获率为代价换取分辨率；MOIP 光隔离探头在信号输入端阻隔共模干扰与本底噪声，保障低位编码的有效利用。针对 80:1 动态范围工况，此方案带来的核心增益是使原本不可复现的微弱信号具备可测量能力。

图 5　主机、光隔离探头与电流探头组成的完整测量链

文中码数与误差为理想模型估算值；产品参数以麦科信官网最新数据手册为准。