12-битная архитектура предлагает определенные преимущества по сравнению с 8-битной структурой, которая, хотя и достаточна для многих приложений осциллографов, не всегда является идеальной. Поэтому важно оценить конкретные преимущества 12-битной структуры и определить, действительно ли они необходимы.
В этой статье описываются преимущества 12-битной архитектуры, например, той, что используется в новых осциллографах серии DHO4000 от RIGOL, и рассматриваются другие важные аспекты. Поскольку 8-битная структура часто достаточна для многих приложений, будут также представлены преимущества и недостатки обеих архитектур.
Приложения, требующие более высокого разрешения, обычно связаны с измерением сигналов с высоким динамическим диапазоном. Это означает, что это могут быть сигналы с большой амплитудой, содержащие очень малые изменения амплитуды, которые также необходимо измерить. Примером является измерение токов и напряжений в силовой электронике.
Более старые 8-битные осциллографы позволяют активировать 12-битный режим высокого разрешения для измерения сигналов с низким уровнем шума. Этот режим математически рассчитывается на осциллографе после записи сигнала. Он использует передискретизацию, которая генерирует среднее значение из более тонких значений амплитуды, отображаемых теперь с более высоким разрешением. Это усреднение уменьшает шумовые составляющие, позволяя визуализировать более тонкие отклонения амплитуды. Однако архитектура остается 8-битной (2⁸ = 256 значений), если данные сохраняются в CSV-файл. Вторым недостатком является значительное уменьшение полосы пропускания в зависимости от времени установления. Кроме того, уровень шума адаптируется к 8-битной структуре, что негативно влияет на измерение.
Приборы серии RIGOL DHO4000 позволяют переключать шкалу измерения в вертикальном направлении от 1 мВ/дел до 100 мкВ/дел. Минимальный уровень шума (с полосой пропускания, ограниченной 20 МГц) в этом диапазоне составляет менее 18 мкА среднеквадратичного значения (см. рис. 1, при 1 мВ/дел). Это позволяет измерять даже самые слабые сигналы напряжения и тока (например, через шунт с соответствующим импедансом).
Серии RIGOL DHO1000 и DHO4000 используют 12-битную архитектуру на основе недавно разработанного компанией RIGOL чипсета ASIC "Centaurus". Это увеличивает количество вертикальных значений с 256 уровней до 2¹² = 4096 значений, обеспечивая в 16 раз более высокое вертикальное разрешение по сравнению с 8-битной архитектурой. При этом не требуется никаких компромиссов, таких как уменьшение полосы пропускания, как в режиме высокого разрешения. В дополнение к улучшенному вертикальному разрешению, серия DHO4000 предлагает очень высокую частоту дискретизации в реальном времени до 4 Гс/с и максимальную емкость памяти 500 Мточек. Если анализ требует разрешения 4 Гс/с, в эту память можно записать более 100 мс и отобразить их в высоком разрешении с помощью функции масштабирования. Это обеспечивает оптимальное сочетание очень высокого вертикального и горизонтального разрешения. Кроме того, большая емкость памяти позволяет визуализировать большое количество сигналов за один сеанс измерения. Одним из недостатков 12-битного разрешения является то, что оно создает значительно большие наборы данных, чем 8-битная структура. Это означает, что при выборе осциллографа важно проверить, действительно ли приложению требуется высокое разрешение и приведет ли это к большему объему данных. Схема состоит из двух ASIC, один из которых, «θ-Centaurus», был разработан для аналогового входного каскада, чтобы обеспечить необходимую полосу пропускания, импедансы 1 МОм и 50 Ом, очень быструю защиту от перенапряжения и очень низкий уровень шума. Этот ASIC имеет очень высокий динамический диапазон до 97 дБ и обеспечивает очень высокую линейность с THD (общим коэффициентом гармонических искажений) -55 дБн. Этот чип также характеризуется очень низким уровнем шума, что крайне важно для 12-битного разрешения, фундаментального аспекта 12-битной платформы. Если бы уровень шума не соответствовал большему количеству бит, повышенный шум препятствовал бы повышению чувствительности АЦП.
Второй чип, называемый «α-Centaurus», представляет собой высокоточный цифровой сигнальный процессор с 12-битным разрешением АЦП и частотой дискретизации до 4 Гс/с. Наряду с высоким разрешением, этот чип также отличается очень высокой температурной стабильностью
3,6 мкВ/°C и очень высокой синхронизацией (многочиповая синхронизация) различных сигналов с частотой 33 фс. Как и серия DS70000 (5 ГГц/20 Гс/с), серия DHO использует новую платформу UltraVision III. Во многих приложениях, требующих очень высокого разрешения, полоса пропускания обычно находится в нижнем диапазоне осциллографа, где эффективное число бит совпадает с числом бит АЦП, т.е. 12 бит. Однако иногда необходимо знать разрешение до максимальной полосы пропускания. Это значение определяется значением ENOB (эффективное число бит), которое зависит от частоты. В серии DHO4000 это значение превышает 8 бит по всей полосе пропускания. Это означает, что ENOB становится важным при большей полосе пропускания и более высоком разрешении.
Как упоминалось ранее, более высокое вертикальное разрешение может использоваться для измерения сигналов с высоким динамическим диапазоном, что может происходить при измерениях мощности. Однако следует подчеркнуть, что оптимальное использование более высокого разрешения достигается, когда сигнал может отображаться на весь экран. Это означает, что при измерении, например, тока и напряжения с помощью каналов 1 и 2, рекомендуется использовать весь экран для соответствующего измерения. Тем не менее, благодаря цветовой кодировке трасс, эти кривые остаются легко распознаваемыми (см. рисунок 2).
В силовом сегменте даже самые незначительные колебания входного переменного тока могут негативно влиять на различные функции. Для обеспечения полной и бесперебойной работы устройств важно понимать, как электроника обрабатывает эти колебания; например, колебания, возникающие в результате коротких провалов напряжения, шума или появления гармоник. Осциллограф может регистрировать сигналы в таких ситуациях с помощью высоковольтного дифференциального пробника и токового пробника. Затем с помощью осциллографа измеряются формы напряжения и тока. Также необходимо учитывать точность и уровень шума пробников. Можно регистрировать и измерять такие параметры, как описанные ниже. Хотя измерение максимальных/минимальных значений компонентов сильных сигналов очень похоже для 8-битных и
12-битных осциллографов, преимущество 12-битного осциллографа заключается в его способности измерять малые отклонения сигнала, которые не были бы видны на 8-битном осциллографе. 
Вертикальную регулировку можно точно настроить таким образом, чтобы эти очень малые компоненты сигнала можно было визуализировать с хорошим разрешением, а следовательно, анализировать и измерять с высокой точностью (см. рисунок 3).
Теоретическое разрешение при 8-битной структуре, включающее 256 уровней и вертикальное представление 8 В (1 В/дел), составляет 31,25 мВ. На 12-битном осциллографе количество шагов равно 4096, что соответствует разрешению 1,95 мВ при той же вертикальной настройке. Это означает, что шумовые компоненты и другие отклонения теперь можно измерять на ступенчатых участках, что невозможно с 8-битным осциллографом.
Как и в 8-битном осциллографе, серия RIGOL DHO включает режим высокого разрешения (High-Res), который можно установить на 14 или 16 бит для еще большей четкости сигнала. Таким образом, эта технология усреднения превосходит 12-битное разрешение высокого разрешения 8-битных осциллографов. Полученная более низкая полоса пропускания отображается вместе с разрешением на моделях RIGOL DHO.
Дополнительная функция анализа мощности также может использоваться для общих измерений входного переменного тока импульсного источника питания. В частности, он позволяет измерять значения тока и напряжения, а также активную, полную и реактивную мощность, а также коэффициент амплитуды. Математическая функция также позволяет отображать результаты в виде кривой. На выходе импульсного источника питания анализ мощности может использоваться для анализа пульсаций выходного сигнала с целью оценки качества сигнала.
При анализе сигналов, и особенно при анализе ошибок, целесообразно сосредоточиться не только на временном анализе, но и на частотном анализе, поскольку это позволяет четко представить, например, нежелательные нелинейности или гармоники. Превосходный динамический диапазон 12-битного осциллографа без помех по сравнению с 8-битным осциллографом также позволяет проводить частотный анализ в более широком динамическом диапазоне. Поэтому при частотном анализе уровень шума и амплитуды внутренних помех ниже, чем у 8-битного осциллографа. Как упоминалось ранее, помимо улучшения шумоподавления, достигается также большая линейность. БПФ может преобразовывать до миллиона отсчетов в частотный спектр, обеспечивая таким образом очень высокое разрешение по частоте. Подобно анализатору спектра, спектр может быть задан начальной и конечной частотами или центральной частотой и диапазоном. При настройке осциллографа на 50 Ом вертикальная шкала также может отображать дБм (логарифмическое представление, где «м» означает «мВт»).
На рисунке 4 представлен частотный анализ синусоидальной волны частотой 1 МГц.
Наряду с более высоким вертикальным и значительно более высоким горизонтальным разрешением, осциллограф предлагает возможность проведения измерений с использованием новой функции «UltraAcquire», которая разделяет память на различные сегменты, каждый из которых интегрирует различные типы триггеров. Это позволяет достичь очень высокой скорости захвата сигналов — 1,5 млн сигналов/с. С помощью этой функции пользователь может выбрать количество записываемых триггеров (до максимального числа). Полученные сигналы затем могут отображаться в различных форматах (например, каскадно или в трехмерной перспективе), что упрощает анализ быстро изменяющихся сигналов, которые в противном случае было бы трудно обнаружить из-за длительного времени слепого режима. Этот анализ может быть использован, среди прочего, для импульса передачи, генерирующего несколько гораздо меньших эхо-сигналов, а динамический диапазон может быть использован для достаточно точного измерения самых маленьких эхо-сигналов или для гораздо более быстрой визуализации помех (см. рисунок 5).
Серии DHO1000 и DHO4000 расширяют ассортимент продукции RIGOL, охватывая более широкий спектр применений. Помимо удобного управления с помощью сенсорного экрана, клавиатуры или веб-интерфейса, эти осциллографы отличаются универсальностью в различных областях, включая исследования и разработки, образование и другие промышленные приложения, требующие очень высокого горизонтального или вертикального разрешения. Благодаря этим осциллографам высокого разрешения RIGOL позиционирует себя на рынке с исключительно привлекательным соотношением цены и качества, а также очень высоким уровнем качества и универсальности по сравнению с другим, более дорогим оборудованием на рынке.
