示波器的有效位指標(biāo)ENOB探討

當(dāng)示波器用戶選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量時(shí)，了解示波器測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量是極為重要的。盡管基于一些關(guān)鍵指標(biāo)如帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度等可以進(jìn)行一些最基本的比較，但僅僅這些指標(biāo)并不能充分描述示波器的測(cè)量質(zhì)量。經(jīng)驗(yàn)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(biāo)可以保證進(jìn)行更好的測(cè)量。對(duì)于GHz級(jí)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(shù))的指標(biāo)，來(lái)描述示波器里使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能。ENOB指標(biāo)的提出是因?yàn)楫?dāng)高速ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)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(dá)不達(dá)其標(biāo)稱位數(shù)應(yīng)達(dá)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(shù)只有10bit左右。

　　那么，當(dāng)選擇示波器時(shí)，ENOB到底重要嗎?ENOB能有效預(yù)測(cè)示波器的測(cè)量精度嗎?

　　在數(shù)字示波器的架構(gòu)中，和測(cè)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(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以便后面的ADC可以正確進(jìn)行采樣和數(shù)字化。前端電路包括衰減器、放大器和信號(hào)分配路徑。

　　示波器的設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量精力設(shè)計(jì)前端電路以獲得平坦的頻率響應(yīng)、低的噪聲以及期望的頻響曲線。由于示波器對(duì)于ADC有特殊要求，所以示波器廠商一般都自己設(shè)計(jì)ADC芯片。開發(fā)新的前端和ADC需要大量投入，因此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)盡量使這些電路對(duì)被測(cè)信號(hào)的失真盡可能小，以獲得最好的測(cè)量精度。

　　對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，用戶可以衡量前端電路和ADC組合在一起后的指標(biāo)，但是不太容易對(duì)各部分指標(biāo)單獨(dú)衡量。有很多方法可以測(cè)量示波器前端電路質(zhì)量，示波器廠商通常使用底噪聲和ENOB指標(biāo)來(lái)評(píng)估示波器的前端和ADC電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，但很多時(shí)候綜合考慮示波器的性能比單獨(dú)評(píng)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(píng)估示波器測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)很好依據(jù)，這些測(cè)量結(jié)果可以告訴用戶示波器的前端和ADC電路設(shè)計(jì)得有多純凈，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡自肼晻?huì)增加額外的抖動(dòng)并減小設(shè)計(jì)裕量。一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)進(jìn)入高帶寬示波器內(nèi)，但對(duì)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(píng)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(cè)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(píng)估ADC質(zhì)量的方法?，F(xiàn)在的數(shù)字示波器主要使用2種ADC技術(shù)：流水線型或Flash型。流水線型ADC使用2級(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換以獲得更高的轉(zhuǎn)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(nèi)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(shí)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(cè)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(hào)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行并行采樣，每個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一段電壓范圍。比較器的結(jié)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(jié)果。無(wú)論使用哪種ADC技術(shù)都有其局限性，比如Flash型的ADC的線性誤差差一些，而流水線型ADC可能會(huì)有更多拼接帶來(lái)的誤差。IEEE建立了ENOB的標(biāo)準(zhǔn)用于幫助用戶評(píng)估不同ADC的好壞。

　　示波器廠商會(huì)對(duì)其使用的分立的ADC芯片做內(nèi)部評(píng)測(cè)，同時(shí)也會(huì)評(píng)測(cè)整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB,整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB會(huì)比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC僅為示波器系統(tǒng)的一部分，不能獨(dú)立使用，因此整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)才有意義。

　　用戶通常沒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，用戶需要放大波形以充滿示波器的垂直量程范圍，但這會(huì)造成觀察信號(hào)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，如果用戶只使用了滿量程的一半，對(duì)于8bit的ADC來(lái)說(shuō)，實(shí)際使用的ADC的位數(shù)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(shù)。