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LOTO 示波器 软件功能8位~13位垂直分辨率讲解 [复制链接]

本帖最后由 LOTO2018 于 2021-2-4 11:19 编辑

本文讲解LOTO示波器的上位机垂直分辨率(ADC)可以从到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达到13位呢?这中间是一个变化的过程,它并不是8位和13位两个挡位,而是中间有9, 9.1,...... 到13这样的变化,是通过牺牲采样率,然后来弥补垂直分辨率。

 

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图1. 界面展示
如图1所示,现在时间挡位是1毫秒挡位,可以在示波器右上栏看到此时的垂直分辨率是8bit,它现在采用率是781 Khz,右侧下部分是模式选择,现在是峰峰值模式(Peak-detect Mode),Normal是常规模式或者叫实时模式,Hight-Res是高分辨率模式。在常规模式下,它的零电压的噪声线的粗细程度适中,然后我们再看峰峰值模式,相比常规模式,它的噪声会更密,尖刺会更多一些,这是因为峰峰值模式是波形最真实的样子。我们再看高分辨率模式,它的分辨率的精度就会非常高,基本上就没有噪声了,这时候界面显示它是十位的垂直分辨率。峰峰值模式的时候垂直分辨率是八位。我们可以滚动滑块,这样就可以控制它的分辨率位数,如图2所示,在高分辨率模式下,滑动该滑块,最小的分辨率是9.1位,然后滚到另一头,最大的分辨率是10.6位,此时波形精细一些。

 

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       图2. 高分辨率模式下的可调垂直分辨率演示
9.1位时,它噪声会大一些,不精细了,这个其实是牺牲一些采样率来办到的。
我们再看一下,现在时间挡位是一百兆采样的档位,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,实时模式它也是8位。
如果我们用更高的采样率,峰峰值模式和高分辨率模式也是8位。为什么都是8位?即便挪动分辨率滑块,它的位数也没法变了,这是因为它已经没有办法去牺牲采样率来达到提升分辨率的目的了。
那只有在测中速或者低速一点的信号,这种一百兆的挡位,它是有能力去牺牲采样率然后再提升它的垂直分辨率的。我们来看一下它在波形上的反应,产生一个PWM波信号,频率是200hz,那这种情况下我们用的是峰峰值模式,它波形是很粗的,如图3,为什么很粗?是因为叠加了一些本体噪声,这是系统固有的, 也可能是环境中干扰进来的电磁波或者是它电路本身会有一些噪声。

 

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   图3. 峰峰值模式下的垂直分辨率
那如果用实时模式,我们会发现这个噪声会稀疏一些,如图4所示,我们看高分辨率模式,波形会很细,它的噪声几乎看不见,见图5,它通过牺牲了采样率把垂直分辨率从8位变到10.5位,所以它会很清晰。

 

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图4. 实时模式下的垂直分辨率

 

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图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实现把我的示波器从8位的垂直分辨率提升到13位以内的垂直分辨率,那就是更大的时间挡位,对应的位数越高。取决于现在选的时间档位和当前用的采样率以及当前缓冲区域的大小,这三个因素综合决定了垂直分辨率是多少位,它的好处优势是比如有一个波形,叠加了很严重的高频噪声,基本上看不清这个波形大概是什么形状,那这时候我们用高分辨率模式,它就把那些高频的噪声去除掉了,可以把信号原本的样子画地清清晰晰。图6是未采用高分辨率模式的波形,图7是采用高分辨率模式下的波形。

 

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图6. 噪声信号在峰峰值模式下的波形

 

 

 

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  图7. 噪声信号在高分辨率模式下的波形
峰峰值模式是最真实的状态,它上面叠加了一些小尖刺,小噪声,它是客观存在的,不能因为说我觉得信号不好看,就改成高分辨率模式,但是这个不是真实的。
下面我们来看一个案例,我们故意采一个波形在边沿有过冲,有尖刺的一个波形,那这个波形的尖刺是真实存在的,如图8。那我们在高分辨模式下看它的边缘就不会有尖刺,就是通过算法,损失掉了一部分突发的尖刺信息,见图9。
 

 

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图8. 带尖刺噪声的方波信号
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    图9. 高分辨率模式下的尖刺方波信号

 

我们看这个图,是一台传统的数字示波器采的波形,见图10,跟我们刚才看的演示是一样的,第一张图像是8位ADC的采样,它是峰峰值模式的采样,上面叠加了很多的固有噪声,这是正常。然后第二个波形,就是我们刚才用的分辨率的算法得到的,第三个波形是真正的用一个硬件是12位的ADC采集到的波形,这三个对比就比较直观了。
 

 

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   图10. 传统示波器不同位数下的波形
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图11. 12位和16位的对比
接下来这个图也能说明不同分辨率引起的波形问题。如图11,这是12位和16位的对比,红色的是12位的,造成梯度的原因就是它分辨率低,它把临近的两个点是分不清的,所以一直在上下跳。如果把红线波形压缩看,它就是一个很粗的一个线。这种情况下蓝色的16位就是很细的一个线。对于红色的波形,如果是由软件误差产生的噪声,那我们通过算法可以得到黑色的波形,就是过采样,牺牲一些采样率来提升的分辨率,它跟16位的也是有点像的。
它的原理见图12,图中原始信号的波形是正弦波,我们ADC采样可以采集很多个橙色的小球。那如果是实施采样,图中画的是蓝色的点,那我们该怎么取蓝色点呢?我们能先取黄色的小点放上去,然后中间的一些灰色点就丢掉了。那这种的是实时模式。

 

 

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图12. 不同模式信息采集原理

峰峰值模式就是这些灰色的点,也不分段,一个不丢,它有一部分是有一个压缩的一个算法,可以把它压缩。但是这之间出现的尖刺最后都能还原出来,这是峰峰值模式。
高分辨率模式简单的说,图中我们多个橙色的点画成一个绿色点,这么多点画成一个绿色点是通过取平均,取平均以后它的分辨率就会提升了,相当于提升了垂直分辨率,但是能提升多少呢?这取决于取平均的点数,即使参与点数的多少。这个就是说我们可以牺牲采样率来提升分辨率。能提升多少就跟能牺牲多少采样率有关了。前面我们提到的有些挡位,可以牺牲很多采样率,这些点我可以取很多,这么多点求平均,波形一定能很细腻,但是有些档位点数就不够了,采样点就很少了,可能就两个或者三个点取平均,或者压根就没有取平均,采样点有多少就画多少,这时候就没办法提升采样率了。


 

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