示波器不可忽略的一個(gè)重要參數
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所有示波器在模擬通道與數字轉換過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生垂直噪聲，這是不可避免的。很多用戶(hù)在購買(mǎi)示波器時(shí)都忽略了這一重要參數，甚至示波器廠(chǎng)商也都刻意回避這個(gè)指標，數據手冊中很少有明確標明。這里將詳細分析了垂直噪聲的由來(lái)并比較了各主流廠(chǎng)商不同型號示波器的底噪特性。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/277140.htm垂直噪聲從哪里來(lái)?
示波器的垂直噪聲主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：
1)模擬前端電路的噪聲：包括衰減電路的噪聲、緩沖電路的噪聲、放大器的噪聲以及電源的噪聲。
因為隨機噪聲的無(wú)界性、隨機性，帶寬越高，噪聲頻譜越寬，模擬前端電路的噪聲越大。示波器的基線(xiàn)本底噪聲主要由這部分決定，這也是評價(jià)模擬前端設計好壞的重要指標。
2)模擬信號數字化過(guò)程產(chǎn)生的噪聲：主要是ADC的量化噪聲。
關(guān)于A(yíng)DC的量化噪聲，貝爾實(shí)驗室的W. R. Bennett 1948年發(fā)表的經(jīng)典論文中有一條很有名的公式可以表征：
以ZDS2022中使用的ADC為例，它的分辨率為8bit，采樣率為1GSa/s，帶寬為200MHz，計算可得ADC量化過(guò)程的信噪比為53.9dB。所以在最小垂直檔位2mV/div下的量化噪聲有效值為14uVrms，基本可以忽略不計，在該檔位下噪聲主要來(lái)自模擬前端。測量10mVpp的方波，波形跡線(xiàn)會(huì )變粗，測量誤差主要來(lái)自模擬前端的本底噪聲。
圖 1 2mV/div檔位下測試10mVpp的方波峰峰值誤差
但是當垂直檔位越大，量化噪聲逐漸占主導地位，而模擬前端噪聲雖然會(huì )隨著(zhù)放大器的增益變化產(chǎn)生微小的改變，但是仍然在2mV以下。
示波器通常為了防止ADC超出限制，留了±1div的裕量，實(shí)際垂直幅度范圍為10div，所以在1V/div檔位下ADC的1LSB為40mV左右，按照最大量化誤差±0.5LSB計算，ZDS2022在該檔位下的量化噪聲為40mVpp。測量幅度為5Vpp的方波信號，測量誤差主要來(lái)自量化噪聲。
圖 2 1V/div檔位測試5Vpp方波信號的峰峰值誤差
垂直噪聲會(huì )帶來(lái)什么影響?
示波器垂直噪聲會(huì )從很多方面影響信號的精確測量，它會(huì )：
1)引入幅度測量誤差;
2)引入sin(x)/x波形重建不確定度;
3)在進(jìn)行小信號測量時(shí)會(huì )導致觸發(fā)抖動(dòng)，無(wú)法穩定波形，這時(shí)必須設置觸發(fā)耦合為高頻抑制，并適當增大觸發(fā)靈敏度。
4)產(chǎn)生顯示不良的“胖波形”。
如何評估示波器的底噪?
既然底噪如此重要，要怎么評估一臺示波器的底噪呢?通常認為示波器的基線(xiàn)本底噪聲是示波器垂直檔位置于靈敏度最高條件下測得的。但是市面上很多示波器在最高靈敏度檔位下，由于放大器增益大于40dB，帶寬通常會(huì )有所降低。所以要比較不同示波器的底噪，應該把相同帶寬特征的示波器放在一起，對比他們在全帶寬條件下最高靈敏度檔位的基線(xiàn)本底噪聲。
因為噪聲服從高斯分布，存在隨機性、無(wú)界性，噪聲測量中收集的數據越多，得到的噪聲峰峰值偏移更高，基于這一原因像垂直噪聲和隨機抖動(dòng)這類(lèi)隨機現象應使用RMS(均方根)值來(lái)進(jìn)行定義和測量。
為了比較各公司不同型號示波器的基線(xiàn)本底噪聲，需要將它們各種設置置于盡量接近的條件，步驟如下：
1)打開(kāi)通道1，設置為直流耦合，輸入阻抗設置為1MΩ，關(guān)閉帶寬限制，置于2mV/div垂直檔位;
2)斷開(kāi)探頭的連接，將輸入端口接地，并遠離可能耦合進(jìn)來(lái)的噪聲源;
3)將時(shí)基檔位設置為20ns/div，存儲深度盡量選擇接近的值;
4)正確設置觸發(fā)通道與觸發(fā)電平;
5)關(guān)閉其他通道(某些型號示波器由于多通道共用單片ADC、存儲芯片，在開(kāi)啟多個(gè)通道時(shí)會(huì )降低采樣率、存儲深度等參數)。
6)打開(kāi)示波器的測量功能，選擇電壓有效值(RMS-AC)測量;
7)為了對比更明顯，設置余輝時(shí)間為10s。
下圖分別是ZDS2022、T公司的MDO3054(為了帶寬一致，已開(kāi)啟250MHz帶寬限制)、A公司的MSO-X 3012A測試的基線(xiàn)本底噪聲結果。
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