示波器的幅度精度和相位噪聲--示波器的射頻指標(biāo)連載（3）

絕對(duì)幅度精度（Absolute amplitude accuracy）

絕對(duì)幅度精度會(huì)影響到示波器對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)載波做功率測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度。對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，絕對(duì)幅度精度指標(biāo) = DC幅度測(cè)量精度 + 幅頻響應(yīng)。因此需要兩部分分別分析。

DC幅度測(cè)量精度就是示波器里標(biāo)稱(chēng)的雙光標(biāo)測(cè)量精度，又由DC增益誤差和垂直分辨率兩部分構(gòu)成（如下圖所示是Keysight公司S系列示波器的DC測(cè)量精度指標(biāo)）。對(duì)于實(shí)時(shí)示波器來(lái)說(shuō)，DC增益精度一般為滿量程的2%，而分辨率與使用的ADC的位數(shù)有關(guān)，如果是10bit的ADC就相當(dāng)于滿量程的1/1024。由此計(jì)算得出實(shí)時(shí)示波器的DC幅度精度大約在±0.2dB左右。

至于幅頻響應(yīng)，傳統(tǒng)上寬帶設(shè)備的幅頻響應(yīng)都不會(huì)特別好，但現(xiàn)代的高性能示波器在出廠時(shí)都會(huì)做頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)和補(bǔ)償，使得其幅頻響應(yīng)曲線非常平坦。下圖是Keysight公司8GHz帶寬的S系列示波器的幅頻響應(yīng)曲線，可以看出其帶內(nèi)平坦度非常好，在7.5GHz以內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)±0.5dB。

因此，綜合下來(lái)，以S系列示波器為例，其在7.5GHz以內(nèi)的絕對(duì)幅度測(cè)量精度可以控制在±1dB左右，這個(gè)指標(biāo)和大部分中高檔頻譜儀的指標(biāo)相當(dāng)。而Keysight公司的V系列示波器更是可以在30GHz的范圍內(nèi)保證±0.5dB的絕對(duì)幅度精度，超過(guò)了大部分高檔頻譜儀的指標(biāo)。

相位噪聲（Phase Noise）

測(cè)量?jī)x器的相位噪聲（Phase Noise）反映了測(cè)試一個(gè)純凈正弦波時(shí)的近端低頻噪聲的大小，在雷達(dá)等應(yīng)用中會(huì)影響到對(duì)于慢目標(biāo)識(shí)別時(shí)的多普率頻移的分辨能力。相位噪聲的頻域積分就是時(shí)域的抖動(dòng)。對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，相位噪聲太差或者抖動(dòng)太大會(huì)造成對(duì)于射頻信號(hào)采樣時(shí)產(chǎn)生額外的噪聲從而惡化有效位數(shù)。

傳統(tǒng)的示波器不太注重采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)或者相位噪聲，但隨著示波器的采樣率越來(lái)越高，以及為了提高射頻測(cè)試的性能，現(xiàn)代的數(shù)字示波器如Keysight公司的S、V、Z等系列示波器都對(duì)時(shí)鐘電路進(jìn)行了優(yōu)化，甚至采用了經(jīng)典的微波信號(hào)源如E8267D里的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，使得示波器的相位噪聲指標(biāo)有了很大提升。

如下圖所示是S示波器在1GHz載波時(shí)的相位噪聲曲線，測(cè)試中的RBW設(shè)置為750Hz，在偏離中心載波100kHz處的噪聲能量約為-92dBm，歸一化到單位Hz能量約為-120dBc/Hz，這已經(jīng)超過(guò)了市面上大多數(shù)中檔頻譜儀的相噪指標(biāo)。而更高性能的V系列示波器的相位噪聲指標(biāo)則可以做到約-130dBc/Hz @100KHz offset，這已經(jīng)超過(guò)了市面上大部分中高檔頻譜儀的相應(yīng)指標(biāo)。

總結(jié)

從前面的介紹可以看出，現(xiàn)代的高性能的實(shí)時(shí)示波器除了受ADC位數(shù)的限制造成諧波失真指標(biāo)明顯較差以外，其無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍可以和中等檔次的頻譜儀相當(dāng)，而底噪聲、帶內(nèi)平坦度、絕對(duì)幅度精度、相位噪聲等指標(biāo)已經(jīng)可以做到和中高檔頻譜儀類(lèi)似。

而且，為了滿足射頻測(cè)試的要求，現(xiàn)代的高性能示波器里除了傳統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)以外，也開(kāi)始標(biāo)注射頻指標(biāo)以適應(yīng)射頻用戶的使用習(xí)慣。