示波器的有效位指標ENOB探討

當示波器用戶(hù)選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測量時(shí)，了解示波器測量系統的質(zhì)量是極為重要的。盡管基于一些關(guān)鍵指標如帶寬、采樣率、存儲深度等可以進(jìn)行一些最基本的比較，但僅僅這些指標并不能充分描述示波器的測量質(zhì)量。經(jīng)驗豐富的示波器使用者還會(huì )比較示波器的波形捕獲率、本底抖動(dòng)、底噪聲，這些指標可以保證進(jìn)行更好的測量。對于GHz級帶寬的示波器來(lái)說(shuō)，會(huì )引入另一個(gè)ENOB(effectivenumber of bits,即等效位數)的指標，來(lái)描述示波器里使用的模數轉換器(ADC)的性能。ENOB指標的提出是因為當高速ADC進(jìn)行數據采集時(shí)，由于噪聲和失真的影響，實(shí)際ADC的信噪失真比達不達其標稱(chēng)位數應達到的理想性能，比如很多通信中使用的12bit的ADC在實(shí)際工作環(huán)境中有效位數只有10bit左右。

　　那么，當選擇示波器時(shí)，ENOB到底重要嗎?ENOB能有效預測示波器的測量精度嗎?

　　在數字示波器的架構中，和測量精度有關(guān)的電路包括示波器的前端電路和采用的ADC技術(shù)。示波器的前端電路對被測信號進(jìn)行調理以便后面的ADC可以正確進(jìn)行采樣和數字化。前端電路包括衰減器、放大器和信號分配路徑。

　　示波器的設計人員花費大量精力設計前端電路以獲得平坦的頻率響應、低的噪聲以及期望的頻響曲線(xiàn)。由于示波器對于A(yíng)DC有特殊要求，所以示波器廠(chǎng)商一般都自己設計ADC芯片。開(kāi)發(fā)新的前端和ADC需要大量投入，因此設計出來(lái)的ADC通常會(huì )用于多個(gè)示波器系列或多代示波器中。示波器設計團隊會(huì )盡量使這些電路對被測信號的失真盡可能小，以獲得最好的測量精度。

　　對于使用者來(lái)說(shuō)，用戶(hù)可以衡量前端電路和ADC組合在一起后的指標，但是不太容易對各部分指標單獨衡量。有很多方法可以測量示波器前端電路質(zhì)量，示波器廠(chǎng)商通常使用底噪聲和ENOB指標來(lái)評估示波器的前端和ADC電路的設計質(zhì)量，但很多時(shí)候綜合考慮示波器的性能比單獨評估ENOB或底噪聲更加有用。

　　示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪聲是評估示波器測量質(zhì)量的一個(gè)很好依據，這些測量結果可以告訴用戶(hù)示波器的前端和ADC電路設計得有多純凈，因為示波器的底噪聲會(huì )增加額外的抖動(dòng)并減小設計裕量。一般情況下，示波器帶寬越高，其內部噪聲就越高。因為高頻噪聲會(huì )進(jìn)入高帶寬示波器內，但對于低帶寬示波器來(lái)說(shuō)，這些高頻噪聲則會(huì )被其過(guò)濾掉。最直接的評估示波器底噪聲的方法就是輸入通道不接任何東西，然后測量示波器在不同量程和偏置情況下電壓的RMS值。

　　IEEE定義了一種用ENOB評估ADC質(zhì)量的方法?，F在的數字示波器主要使用2種ADC技術(shù)：流水線(xiàn)型或Flash型。流水線(xiàn)型ADC使用2級或多級轉換以獲得更高的轉換速率，比如Agilent的90000A系列示波器使用的20G/s采樣率的ADC,其內部是由80個(gè)256M/s采樣率的ADC組成以獲得更高的采樣率。有趣的是，和常識相反，一些示波器在不使用最高采樣率時(shí)可以提供更高的測量精度。這是由于有些示波器為了獲得高采樣率可能需要多片ADC進(jìn)行拼接，這會(huì )造成額外的拼接誤差從而造成信號失真，并且還會(huì )增加額外的高頻噪聲。FLASH型的ADC用一組比較器對輸入信號進(jìn)行并行采樣，每個(gè)比較器對應一段電壓范圍。比較器的結果輸出送給邏輯解碼電路，每段輸入電壓范圍會(huì )產(chǎn)生一個(gè)解碼的輸出結果。無(wú)論使用哪種ADC技術(shù)都有其局限性，比如Flash型的ADC的線(xiàn)性誤差差一些，而流水線(xiàn)型ADC可能會(huì )有更多拼接帶來(lái)的誤差。IEEE建立了ENOB的標準用于幫助用戶(hù)評估不同ADC的好壞。

　　示波器廠(chǎng)商會(huì )對其使用的分立的ADC芯片做內部評測，同時(shí)也會(huì )評測整個(gè)示波器系統的ENOB,整個(gè)示波器系統的ENOB會(huì )比分立ADC芯片的ENOB要低。由于A(yíng)DC僅為示波器系統的一部分，不能獨立使用，因此整個(gè)示波器系統的ENOB指標才有意義。

　　用戶(hù)通常沒(méi)有充分使用示波器的ADC的8bit分辨率。比如要充分利用8bit的垂直量程范圍，用戶(hù)需要放大波形以充滿(mǎn)示波器的垂直量程范圍，但這會(huì )造成觀(guān)察信號更加困難，并且有可能會(huì )造成ADC的飽和等不必要的影響。因此，如果用戶(hù)只使用了滿(mǎn)量程的一半，對于8bit的ADC來(lái)說(shuō)，實(shí)際使用的ADC的位數就只有7bit。除此以外，前端噪聲、諧波失真、交織造成的失真也都會(huì )減小示波器的有效位數。