数据精密测量的核心驱动：“分辨率”与“有效位”

在科研实验、工业测控甚至能源勘测领域，数字化仪如同数字世界的“感官”，将物理信号转化为可分析的电信号数据，「分辨率」与「有效位」两大核心指标共同决定了系统的“感知精度”。

 

本篇文章以中科采象自主研发的100MSPS、16-bit、DC/AC耦合高速数字化仪——PXIe-X1063为例，深入解析分辨率与有效位的设计原理与高精度实测突破，带您了解数字化仪在精密测量中的核心价值。

分辨率：数字世界的“最小刻度”

分辨率是数据采集系统最直观的“标尺”，其定义了系统能够分辨的输入信号最小变化量。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。通俗来说，就像一把尺子的最小刻度，决定了测量的精细程度。

 

图1：分辨率位数越高，能够识别的信号变化量就越小

 

对于一个N位的数字化系统，输入信号的电压范围（假设是从0到最大输入电压）会被分成个不同的电压级别。每一个级别的电压差异就是最小的分辨率。

 

例如，中科采象自主研发的16位分辨率PXIe-X1063数字化仪，在2V满量程下，可分辨的最小电压为0.031mV。

误区警示：高分辨率≠高精度！若前置放大器、滤波器等部件的噪声过大，实际精度可能远低于理论分辨率。

有效位(ENOB)：真实性能“照妖镜”

如果说分辨率是理想状态下的“纸面参数”，那么有效位（ ENOB）则是实际工况的“性能判官”。有效位是考虑了噪声、失真等非理想因素后，数据采集卡实际能提供的分辨率，通常小于或等于标称的分辨率，反映了模数转换（ADC）实际测量的精度。

 

在精密信号处理领域，有效位（ENOB）和信纳比（SINAD）是构成评估模数转换系统性能的黄金双钥！作为ADC的核心性能指标，有效位（ENOB）通过量化噪声、谐波失真等综合误差的影响，揭示了数据采集系统在真实工作环境中的有效分辨率；而信纳比（SINAD）则从频域维度构建了基波信号能量与噪声失真总能量的比值体系，直观表征信号完整性的优劣等级。

 

在动态性能测试过程中，需使用高性能信号发生器匹配相应窄带滤波器确保输出高品质的待测正弦波，并通过调整信号发生器的输出幅度，使得输入ADC的信号幅度接近满量程。测试时采用扫频方式改变正弦波频率，在每个频点采集波形，并对其进行快速傅里叶变换（FFT）分析以获取基波分量、谐波失真及噪声能量分布。在基于FFT结果获得信纳比SINAD后，可基于IEEE Std 1241-2010标准内公式计算有效位ENOB：

其中，G为增益；A为输入正弦波信号幅度；FSR为ADC输入满量程。可知：

带入上式（1）可知SINAD与ENOB满足如下关系：

应用场景：在高速采集系统（如雷达、爆炸冲击测试）中，信号动态范围极大，有效位（ENOB）能更真实地评估系统在极端条件下的可靠性。
 

实测信纳比70.19dBc

PXIe-X1063数据采集卡：FFT频谱分析界“显微镜”

通过注入-1.0dBFS的正弦信号,结合FFT频谱分析，得到测试结果如下图所示：总谐波失真(THD)为-76.89dBc，信噪比（SNR）为72.39dBc，ENOB（有效位）为11.66位。

图：快速傅里叶变换（FFT）频谱分析图

选型策略：如何精准匹配应用场景？

01 场景一：高分辨率需求（科学研究、医疗成像）

选型原则…

ENOB ≥ 10位：确保微弱电流/电压信号的精细还原（如生物电信号、光谱弱光检测）；

采样率 ≥ 100MSPS,保证捕捉微弱信号能力，兼顾信号保真度。

带宽 ≥ 50MHz：保证高频信号的稳定性

推荐产品…

 

02 场景二：高速瞬态记录（雷达、激光脉冲分析）

选型原则…

ENOB ≥ 8位：确保动态范围内信号完整性；

采样率 ≥ 5GSPS：满足纳秒级脉冲上升沿捕捉；

带宽≥2GHz：超高频信号，能够覆盖更宽的频率范围。

 

推荐产品…

 

03 选型决策树：2步锁定最佳方案

明确信号类型…

高精度信号 ➔ 优先高ENOB（X1073/X1063）

高频瞬变信号 ➔ 优先高采样率（X1012）

 

验证带宽匹配…

根据客户上升时间，推算客户信号所需实际膝频率，公式为：

其中Fknee为膝频率，Tr为上升时间（10%到90%）。

注：数据采集卡带宽一般为客户实际信号膝频率3到5倍，预留抗混叠余量。

 

技术前沿：如何突破性能边界？

硬件革新：采用Σ-Δ型ADC提升分辨率，结合低温漂元件降低噪声。

算法加持：通过数字滤波(如FIR)和校准算法(如多点线性校正)，补偿非线性失真，提升有效位。

系统集成：模块化设计（如PXIe平台）实现信号调理、隔离与采集一体化，减少外部干扰。

 

参考文献：

1.IEEE Instrumentation & Measurement Society. lEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters[S]. 2010.