8 位元與 12 位元示波器的基礎知識，以及現代 12 位元示波器的使用方法

在許多應用中，設計人員和測試量測工程師都需要進行寬動態範圍量測，以便在訊號振幅較大時檢測非常小的訊號。此類應用包括電源完整性保證、回波定位和測距系統 (如雷達和聲納)、醫療造影系統 (NMR 核磁共振和 MRI 磁振造影)，以及採用超音波的非破壞性檢測。

在系統開發和原型開發階段，示波器當然是進行這些量測的首選工具，但這些主要受限於示波器前端的垂直解析度。例如，8 位元示波器的動態範圍為 256:1，因此在 1 V 範圍內，理論上的最小訊號為 3.9 mV。若要檢測 3.3 V 匯流排的 mV 級漣波訊號，則需要更高的靈敏度和偏移範圍。此外，使用高衰減探針來避免電路負載時，示波器輸入端的訊號位準會衰減，因此除非儀器具有高解析度，否則會很難測量。

問題在於，若有較大的訊號或偏移，則需要使用較高解析度的示波器才能達到更高的靈敏度，但這種示波器通常很昂貴，特別是具有低雜訊輸入的優質示波器。僅有較高的解析度，但沒有較低的背景雜訊，也毫無用處。

設計人員和開發人員需要的是，前端背景雜訊較低且價格合理的 12 位元示波器。若要滿足價格低廉又具有高解析度和低前端雜訊的需求，有個解決方案就是 Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列高解析度示波器。本文將討論高動態範圍量測的困難、高解析度示波器的角色，以及如何有效使用這些示波器進行高動態範圍量測。

示波器垂直解析度

示波器能處理的最高輸入訊號，相對於其能偵測的最小訊號振幅，兩者的比率即為示波器的垂直解析度。解析度通常是以類比數位轉換器 (ADC) 的位元數進行量化。解析度等於 2 的位元數次方。因此，8 位元轉換器的解析度為 2⁸，即 256:1。12 位元轉換器的解析度是 4096:1，比 8 位元轉換器大 16 倍。

多年來，較高頻寬的數位示波器一直僅提供 8 位元的解析度。這是因為在 ADC 上進行工程取捨的結果，使得解析度 (以位元數測量) 與 ADC 的最大取樣率成反比。大約在八年前，Teledyne LeCroy 率先推出 12 位元示波器，稱為高解析度或 HD 示波器。他們最近在 HD 產品線中新增 WaveSurfer 4000HD 系列。此系列包括四款示波器，頻寬為 200、350、500 和 1000 MHz。這些示波器的取樣率皆為 5 GS/s，以 12 位元示波器來說，這是非常好的表現。另外還提供內部混合訊號數位輸入、DVM、函數產生器和計頻器，讓這個多功能儀器產品更加完善。此系列以合理的價位提供所有功能及 12 位元解析度。

當然，提高示波器的解析度不單只要改變 ADC 就好，還要改善示波器前端的訊噪比 (SNR)，避免靈敏的 ADC 充滿雜訊。12 位元示波器採用 8 位元前端，依然屬於 8 位元示波器。不過，WaveSurfer 4000HD 示波器系列已成功實作 HD 概念。12 位元垂直解析度搭配低雜訊前端，可提供 12 位元效能。在任何指定振幅範圍內，比起 8 位元示波器的靈敏度實際上高出 16 倍。

12 位元與 8 位元量測比較

HD 示波器可用於波形動態範圍較高的量測應用。這些量測同時包含高振幅訊號分量以及低訊號位準。下面以超音波測距儀之類的應用為例。此儀器傳輸一個高振幅脈衝，然後等候目標傳來低振幅回波。高振幅訊號會決定示波器垂直放大器所需的電壓範圍。解析度和系統雜訊會決定可測量的最小回波訊號 (圖 1)。

圖 1：以 12 位元和 8 位元垂直解析度呈現相同的超音波訊號。上方走線包含兩個版本的完整訊號，且彼此重疊。下方走線顯示波形的縮放部分。雖然從高振幅訊號分量看起來差別很小，但從較低位準的訊號來看，就可顯示出 12 位元解析度具有明顯的優勢。(圖片來源：DigiKey)

上格以 12 位元和 8 位元解析度重疊的方式顯示擷取的訊號。從重疊的波形來看，可觀察到的差異很小。中間格顯示水平和垂直擴大的 12 位元波形。下格顯示的是以 8 位元呈現的同一部份波形。8 位元版本的低位準訊號，很明顯遺漏細節。亦請注意，12 位元呈現的訊號峰值顯示出明顯的差異，但在 8 位元版本中則沒有這些差異。

高動態範圍量測應用

高動態範圍量測包含所有回波定位和測距應用，如雷達、聲納和 LiDAR。NMR 和 MRI 等眾多醫療造影技術，都是以類似的技術為基礎，即讓高位準發射脈衝從身體回彈，然後擷取和分析回波，或是因訊號發射而激起的輻射。同樣地，非破壞性檢測 (NDT) 等超音波型技術，則使用反射的超音波脈衝來探測固態材料中是否有裂縫和缺陷。

電源完整性量測也需要高動態範圍示波器，以便對 1 至 48 V 之間的匯流排電壓 (或更高)，測量雜訊和漣波等微小的毫伏訊號。

可考慮利用甚至是簡易型的超音波測距儀或電子量尺，來測量訊號 (圖 2)。每次量測時，超音波測距儀每隔 16.8 ms 左右就會發出脈衝，共發出五次。Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4104HD 12 位元示波器，並不會擷取這些脈衝之間的失效時間，而是使用序列模式擷取功能，將示波器的記憶體拆成使用者選擇的段數 (此例為五段)。

圖 2：Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4104HD 示波器用於擷取 40 kHz 超音波測距儀的訊號。最上方顯示每次量測所發出的五個脈衝，間隔時間大約 16.8 ms。(圖片來源：DigiKey)

每一段會擷取一個發射脈衝，並對觸發點記下時間戳記。上方走線是擷取到的波形，且每一段都有標示。縮放走線 (下格) 則顯示選取的區段，此例是第一段。畫面底部的表格顯示時間戳記 (會標記每次觸發的時間)、自第 1 段起的時間，以及各段之間的時間。發射脈衝的峰對峰振幅為 362 mV，而反射回波的峰對峰振幅只有 21.8 mV。就是這個振幅上的差異造就高動態範圍的量測作業。圖中使用可從螢幕上看到的回波振幅，但 12 位元解析度以低於示波器像素呈現的振幅擷取這個訊號，如圖 1 所示。

電源完整性量測也需要使用高動態範圍的示波器。漣波電壓量測需要能夠測量電源匯流排上的毫伏訊號。在圖 3 範例中，上方走線是測量 5 V 匯流排上的漣波。使用 WaveSurfer 4104HD 的量測參數 P2 和 P1 分別直接讀取，會顯示匯流排電壓 4.98 V 上的漣波電壓為 45 mV_峰對峰。下方走線是漣波電壓的快速傅立葉轉換 (FFT)，顯示出一個含有大量諧波的頻譜，基頻分量為 982 Hz。

圖 3：子卡的 5 V 匯流排電源完整性量測，顯示出漣波電壓和漣波的 FFT。(圖片來源：DigiKey)

除了高解析度，這個應用也需要使用具有良好偏移範圍的示波器。在此例中，示波器在 10 mV 量程上有 ±8 V 的偏移範圍。偏移範圍與示波器的垂直範圍成比例。如果需要更大的偏移範圍，Teledyne LeCroy 有提供偏移範圍 30 V 的 RP4030 電軌探針。電軌探針專為探測低阻抗電軌而設計，具有很大的內建偏移、高輸入阻抗值、低衰減度和低雜訊。這個探針的頻寬為 4 GHz，衰減度為 1.2，輸入阻抗值為 50 kΩ。

HD 示波器也能應對更高電壓的量測，例如切換式電源轉換器 (SMPC) 遇到的電壓。SMPC 包含電源供應器、逆變器和工業控制器。此產品會調整切換式波形的工作週期或頻率，藉此控制功率。主要的量測包含測量功率切換元件 (通常為 FET 場效電晶體) 上的電壓，以及通過此元件的電流。為了協助開發人員進行 SMPC 量測，Teledyne LeCroy 提供應用專屬的軟體，以及電壓和電流探針。圖 4 展示典型的量測情況。

圖 4：SMPC 損耗的特性化包含測量電源開關元件的電壓和電流，然後計算功率切換循環各個相位中的功率損耗。(圖片來源：DigiKey)

電流 (粉色走線) 是用 Teledyne LeCroy 型號 CP030A 電流探針測量。這個鉗式探針的最大電流輸入為 30 A，頻寬為 50 MHz。電壓波形 (米色走線) 是使用 Teledyne LeCroy 的 HVP1306 高電壓差動探針測量。此探針在 120 MHz 頻寬下的最大 CATIII 電壓額定值為 1000 V。WaveSurfer 示波器能辨識這兩個探針，並會自動縮放測量到的波形，將探針的增益與測量單位納入考量。

功率量測軟體會自動執行最常見的 SMPC 量測。圖 4 以黃色走線顯示元件功率損耗的計算。這是依據整個切換循環的電流和電壓波形計算得來。量測參數會根據擷取的波形，隔離並顯示啟動、導通、關閉和斷態損耗，且各區以顏色重疊方式清楚分隔。此外，也會顯示所有區的總損耗以及切換頻率。除了圖中顯示的元件量測外，其他可進行的量測，能協助特性化控制迴路動態、線路功率，以及效率等效能特性。

計算功率 FET 的汲極源極電阻 (Rds) 時，12 位元解析度對功率量測也很有幫助。需要在波形上測量大約 1 或 2 V 的電壓，峰對峰擺幅大約為 400 V。WaveSurfer 4000HD 系列相容於所有和此示波器頻寬範圍相容的 Teledyne LeCroy 探針 (圖 5)。

圖 5：Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 示波器和該公司眾多探針相容，包括此處顯示的功率量測相關探針。(圖片來源：Teledyne LeCroy)

廣泛的應用為「重負荷」型示波器制定更高標準

WaveSurfer 4000HD 系列的用途，並不限於高動態範圍應用。此系列本身很出色，還能為「重負荷」型示波器制定更高的標準。此系列是進行低速序列資料故障排除時的理想選擇，提供分析套件和探針，以支援 SPI、I²C、UART 型連結等序列匯流排，以及 LIN、CAN 和 FLEXRAY 等汽車匯流排。

序列匯流排分析需要能擷取和解碼匯流排協定，以及讀取資料內容 (圖 6)。顏色編碼的重疊部分代表各個封包。紅色重疊處代表位址資料，藍色重疊處代表資料封包。位址和資料內容皆顯示於重疊之內。解碼資訊提供二進位、十六進位或 ASCII 格式。顯示圖底部的表格一此統整擷取的交易，顯示出相對於觸發點的時間、位址長度、位址、方向 (讀取或寫入)、封包數，以及資料內容。觸發的依據因素可以是活動、位址、資料內容，或位址和資料的組合。

Teledyne LeCroy 的 ZD200 主動式差動探針是測量序列資料時的理想選擇。這款 10:1 探針的輸入阻抗為 1 MΩ，頻寬為 200 MHz，能處理的差動電壓高達 20 V，共模電壓則高達 50 V。此探針和 CAN 之類的差動匯流排特別相配。

圖 6：I²C 匯流排的低速序列觸發與解碼，包含讀取匯流排資料內容的能力。圖中顯示 I²C 匯流排訊號的擷取和解碼，以用於讀取和寫入作業。(圖片來源：DigiKey)

結論

雖然 8 位元示波器將永遠佔有一席之地，但有許多應用都能享受真正 12 位元示波器帶來的高解析度和寬動態範圍，不過因成本相對較高，對許多設計人員與測試工程師來說都遙不可及。Teledyne LeCroy 的 WaveSurfer 4000HD 系列示波器大幅降低價格門檻，一舉突破此成本障礙。

此產品具有 12 位元垂直解析度、5 GS/s 最大取樣率，以及低背景雜訊，因而能夠提供 HD 量測。此外，也相容於 Teledyne LeCroy 探針及分析軟體套件。因此，這些示波器可應用在符合成本效益的高動態範圍量測，並可從研究實驗室拓展到工程師的工作台或廠區。