1、什么是垂直分辨率？

數字示波器的垂直分辨率是衡量示波器將電壓轉換為數字量的精細程度的重要指標，主要由所用ADC（模數轉換器）的分辨率決定。ADC按照固定的電壓間隔對模擬信號進行量化，從而將模擬信號轉換為數字量，ADC對模擬信號分段的數量即為分辨率，通常用bit作為分辨率單位，當垂直分辨率為n bit時，那么垂直方向上信號可以被切分為2n段，即可以分辨的最小電壓為

2、原理描述

以目前市場上最常見的8bit分辨率的示波器為例，使用8位的ADC，信號在垂直方向上被切分成28份即256份。在模擬信號轉換成數字信號的過程中，最多可將模擬信號進行量化為256個等級，兩個量化電平之間的信號，按就近原則取近似，近似的過程必然引入誤差，這個誤差稱之為量化誤差。

量化誤差會影響示波器的測量結果，測量中我們發現同一個示波器在不同FullScale下測量同一信號，得到的測量結果會有微小的不同。

以8bit分辨率的示波器為例，分別在FullScale分別設置為5V和20V時，測量一個1V的方波信號的幅值，這相當于示波器顯示屏幕在垂直方向上被等分成256份。

﹒當Full Scale為5V時，示波器能測試出的最小量化電壓為

此時示波器不能分辨小于19.531mV的電壓信號，如果輸入信號疊加了小于19.531mV的噪聲信號，示波器無法準確顯示出來。

﹒當Full Scale為20V時，示波器能測試出的最小量化電壓為

同樣此時示波器無法準確測量出小于78.125mV的電壓信號。

根據分辨率的計算公式，在測量相同信號的情況下，示波器的垂直分辨率的位數越高，量化誤差越小，測量結果越準確，這就像刻度更小的尺子可以測得更精確的結果。

3、垂直分辨率的決定因素

影響垂直分辨率有兩大因素，一個是前文提到的ADC的量化誤差，另一個是示波器放大器和ADC等電路的熱噪聲。雖然我們通常使用ADC位數來簡單描述示波器的垂直分辨率，但更準確的是將示波器作為整個系統來判斷其有效分辨率位數（ENOB）。

ENOB與整個系統的信號和噪聲比（SNR）密切相關，兩者的數學關系為：

其中：1.76dB為理想ADC的量化噪聲，6.02為log2轉化為log10的系數比。根據公式，提高示波器系統的SNR可以提高示波器的ENOB。

降低示波器的系統噪聲提高SNR，需要良好的系統架構和低噪聲的前端放大電路。不過在示波器硬件一定的情況下，還可以通過ADC的數據進行數字信號處理來提高SNR，從而提高垂直分辨率。

目前提高分辨率常用的數字信號處理方法有以下兩種。

波形平均采樣模式

波形平均采樣模式是示波器最基本降噪信號處理技術之一，??指的是將多次普通采樣的波形進行算術平均。?要求測量的輸入信號是周期可重復的，示波器每采集n 段重復波形，把它們按觸發位置對齊，相加后除以n，得到一段平均后的波形，如下圖示意

波形平均模式能夠降低隨機噪聲，假設平均運算前隨機噪聲的標準偏差為σ，則隨機噪聲的功率N= σ，信號功率為S。則信噪比SNR 為