評估示波器的垂直噪聲特性
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所有示波器都有一項不受歡迎的特性：存在于示波器前端和數(shù)字化過程中的垂直噪聲。測量系統(tǒng)噪聲將降低您的實際信號測量精度，特別是在測量低電平信號和噪聲時。由于示波器是一種寬帶測量儀器，示波器帶寬越寬，多數(shù)情況下垂噪聲也越高。雖然工程師在購買示波器時會了解示波器的垂直噪聲特性，但對這些特性應進行仔細的評估，因為它能經(jīng)幾種途徑影響信號完整性。垂直噪聲會：
1.引入幅度測量誤差
2.引入sin(x)/x波形重建不確定度
3.引入作為輸入信號沿壓擺率函數(shù)的定時誤差（抖動）
4.造成可觀察到的不良“胖”波形
可惜并非所有示波器廠家都在技術資料中給出垂直噪聲指標/特性。即使有這項指標，它也往往會造成誤導，并且是不完整的。本文比較了Agilent、Tektronix和LeCroy所制造500MHz至1GHz帶寬范圍示波器的垂直噪聲特性。此外還講述了當存在相對高測量系統(tǒng)噪聲（示波器噪聲）電平時，如何對低電平信號進行更精確噪聲和干擾測量的有用技巧。
什么是噪聲，應如何測量噪聲
隨機噪聲有時也稱白噪聲，它在理論上是無界的，并服從高斯分布。無界意味著由于噪聲固有的隨機性，您在噪聲表征測量中收集數(shù)據(jù)越多，就會得到越高的峰峰偏移。由于這一原因，像垂直噪聲和隨機抖動這類隨機現(xiàn)象就應使用有效值（標準偏差）進行定義和測量。表1示出四種競爭500MHz帶寬示波器的有效值噪聲本底測量值。每一種示波器都使用50?端接，設置為使用各示波器規(guī)定的最高采樣率，在無信號連接條件下采集波形。
也請參看附錄A中競爭1GHz帶寬示波器的有效值噪聲本底測量結果。
通常認為示波器的“基線噪聲本底”是示波器置于最靈敏設置（最低V/div）時的噪聲電平。但今天市場上的許多示波器在最靈敏V/div設置時有降低的帶寬特性。如前所述，示波器是一種寬帶儀器，帶寬越高，通常噪聲本底也越高。所以在您比較各示波器最靈敏V/div設置處的基線噪聲本底特性時，您可能是在把較低帶寬示波器與較高帶寬示波器作比較，這不是同類事物的比較。應在各示波器提供全帶寬的最靈敏V/div設置處比較相同帶寬的基線噪聲本底。
許多示波器的評估者錯誤地僅測試示波器最靈敏設置時的基線噪聲本底特性，并假定這一噪聲幅度適用于所有V/div設置。示波器中實際有兩個固有的噪聲成分。其一是主要由示波器前端衰減器和放大器所貢獻的固定噪聲電平。示波器最靈敏V/div設置處的基線噪聲本底是該噪聲成分的很好近似。這一噪聲成分居最靈敏設置時的支配地位，但示波器在不太靈敏設置（較高V/div）處使用時，這一噪聲成分是可以忽略的。
第二項噪聲成份是基于示波器動態(tài)量程的相對噪聲電平，它由特定V/div設置確定。當示波器置于最靈敏設置時，可以忽略這項噪聲，它主要影響不太靈敏的設置。雖然示波器在高V/div設置時，波形并未表現(xiàn)出很大的噪聲，但實際噪聲幅度可能相當高，您可比較表1中1V/div與10mV/div測量的噪聲電平。AgilentMSO6054A的這一相對有效值噪聲成分近似為V/div設置的2%。而Tektronix和LeCroy的500MHz帶寬示波器的相對有效值噪聲成分則為量程的3%-4%。
在確定了固定噪聲成分（近似為基線噪聲本底）和相對噪聲成分后，您就能使用平方和的平方根公式估計中間V/div設置下的噪聲量。從表1中的噪聲測量結果可看到在大多數(shù)V/div設置下，AgilentMSO6054A具有總體上最低的噪聲特性。
測量峰峰噪聲
雖然使用有效值能得到評估和比較噪聲的最好結果，但人們也往往想測量和比較峰峰噪聲。因為畢竟示波器屏幕上看到的是峰峰偏移，并且它在實時/非平均測量中造成最大的幅度誤差。基于這一原因，許多示波器用戶更愿意比較和測量峰峰值噪聲。由于隨機垂直噪聲在理論上是無界的，您必須首先建立收集多少數(shù)據(jù)的判據(jù)，然后依據(jù)該判據(jù)獲得峰峰噪聲測量結果。表2示出對四種500MHz示波器收集1M點數(shù)字化數(shù)據(jù)的峰峰噪聲測量。也請參看附錄B對富競爭價的1GHz帶寬示波器的峰峰噪聲測量結果。
注意因TDS3054B（10k點）只有有限的存儲器深度，對1M采集點作峰峰噪聲表征測量是一項非常困難的任務。為在各V/div設置下獲得總共1M點的總采集數(shù)據(jù)量，儀器要用無限余輝累積約100次采集。其它被測示波器有較深的采集存儲器，一次采集就能收集到1M數(shù)據(jù)點。
由于一次特定的1M數(shù)據(jù)點采集（TDS3054B為一組采集）有可能產(chǎn)生或高或低的峰峰測量結果，我們對每一V/div設置重復10次1M點的峰峰噪聲測量。然后對測量結果平均，得到對采集1M數(shù)據(jù)點的“典型”峰峰噪聲系數(shù)。如這張表格所示，Agilent6000系列示波器在全帶寬V/div設置下有最低的總峰峰噪聲電平（基于1M數(shù)據(jù)點）。而Tektronix和LeCroy的500MHz帶寬示波器在大多數(shù)設置處有高得多的峰峰噪聲電平。
雖然把各種示波器設置于同樣的時間/格，然后用無限余輝模式在所設置的時間量，例如10秒內(nèi)收集數(shù)據(jù)是很誘人的，但您應注意峰峰噪聲測試并不能使用這種更為直觀的方法。不僅是存儲器深度明顯不同，更新率也存在著顯著差異。例如若您從默認設置條件開始，然后將TektronixTDS5054B和AgilentMSO6054A設置為20ns/div，Tektronix示波器將以約30波形/秒的速率采集和更新波形。由于采用MegaZoomIII技術的Agilent6000系列有極快的波形更新率，它將以約100,000波形/秒的速率更新波形。這意謂著如果您收集10秒的無限余輝波形，Agilent示波器收集的峰峰噪聲測量數(shù)據(jù)要多約3000倍。如前所述，由于隨機垂直噪聲的隨機和高斯本性，峰峰噪聲會隨收集數(shù)據(jù)的增加而增大。
用探頭測量噪聲
大多數(shù)示波器都配有可提供600MHz系統(tǒng)帶寬的10:1無源探頭（對于600MHz或更高的示波器）。更高帶寬示波器也可能用有源探頭實現(xiàn)更高的帶寬。無論您是使用無源探頭還是有源探頭，探頭本身都將增加附加的隨機噪聲成份。今天的數(shù)字示波器能自動檢測探頭的衰減系數(shù)和重新調(diào)整示波器的V/div設置，以反映探頭所引入的信號衰減。因此如果您正使用10:1探頭，示波器所指示的V/div設置將是示波器內(nèi)部實際設置的10倍。也就是說如果接有10:1探頭示波器的設置為20mV/div，那么示波器中輸入衰減器和放大器的實際設置將是2mV/div。這意味著由于基線噪聲本底放大了10倍，因此會觀察到相對屏幕高度較高的噪聲電平。如果您進行重要的低電平信號測量，例如測量電源紋波，就應考慮使用1:1無源探頭。此外，如果示波器帶寬受限于較靈敏的V/div量程，則需了解特定探頭的衰減系數(shù)，因為這一帶寬限制也可能施加到較高的V/div設置。
在噪聲條件下測量
當您所使用的示波器置于最靈敏V/div設置時，示波器的固有隨機噪聲有可能掩蓋掉實際信號測量。但您可利用某些測量技術把示波器的噪聲影響減到最小。在您測量電源紋波和噪聲電平時，有可能要用到最靈敏的那幾個量程。首先應如前面所述的那樣嘗試使用1:1探頭，而不要用儀器隨帶的標準10:1無源探頭。其次是如果您要測量電源的有效值噪聲，測量結果中也包括了示波器和探頭系統(tǒng)的噪聲貢獻，它們有可能相當高。但通過仔細表征信號（電源）和測量系統(tǒng)，就能扣除測量系統(tǒng)噪聲成分，而得到對實際電源噪聲（有效值）的更精確估計。
通過使用Agilent6000系列示波器約4.7V的直流偏置，圖1示出用1:1無源探頭在10mV/div設置下所進行的電源噪聲測量。注意500MHz和1GHzTektronix和LeCroy示波器的文件中規(guī)定在接入1:1無源探頭和低于50mV/div的設置時，對輸入信號的偏置不能大于±1V。這意味著在用Tektronix或LeCroy示波器進行5V電源的噪聲測量時，由于示波器直流偏置的限制而只能采用交流耦合。但如果您因示波器直流偏置限制而必須采用交流耦合時，結果中將去除掉電源的直流成分，而不能進行精確的測量。
我們用裝上1:1無源探頭的Agilent示波器，對嘈雜的5V電源所測到的噪聲約為1.5mVRMS。圖2是使用相同1:1無源探頭對測量系統(tǒng)噪聲所作的噪聲表征。由于探頭地線直接接到探頭觸針處，在10mV/div設置下測量到的系統(tǒng)噪聲約為480VRMS。因使用的1:1探頭增加了附加的噪聲成分，所以這一示波器/探頭噪聲測量結果高于表1所示的噪聲系數(shù)（250VRMS）。此外我們使用的是1M?輸入端接，而不是原來的50?端接（用于表1中的基線有效值噪聲測量）。現(xiàn)在用平方和的平方根公式扣除這一測量系統(tǒng)噪聲成分，結果表明該電源的噪聲約為1.4mVRMS。
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