高分辨率示波器的一大優(yōu)勢(shì)是噪聲更低，測(cè)量精度更高，示波器系統(tǒng)的噪聲水平不是僅僅由一個(gè)高分辨率的ADC決定，更需要低噪聲的前端放大器，以及特殊設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，是一個(gè)完整的高分辨率系統(tǒng)，本文主要分析示波器中噪聲來(lái)源和量化方法。

  示波器最大垂直分辨率由采集系統(tǒng)中的單個(gè)器件決定 - ADC - 并且它具有量化噪聲和其他噪聲成分，可將噪聲引入測(cè)量并降低有效分辨率，其他器件以及集成器件的整體采集系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

  然而，示波器中的主要噪聲源往往是前端放大器，這就是為什么高分辨率示波器具有專門(mén)設(shè)計(jì)的低噪聲前端放大器至關(guān)重要，示波器前端放大器通常由多級(jí)不同增益的放大器組成，因此會(huì)有運(yùn)行機(jī)制可以在寬范圍的輸入信號(hào)幅度下提供與信號(hào)大小相關(guān)的最小噪聲。

  圖1顯示了示波器通道中噪聲源的示例，用戶輸入信號(hào)VIN輸入到示波器，VIN在進(jìn)入示波器時(shí)本身有噪聲，前端放大器和ADC也會(huì)疊加噪聲到信號(hào)上。在這個(gè)例子中，每個(gè)ADC輸入驅(qū)動(dòng)四個(gè)都會(huì)增加噪聲的內(nèi)部ADC，這主要是量化噪聲。意識(shí)到經(jīng)常被忽視的噪聲源 - 用戶信號(hào)上的噪聲 - 不能被消除是很重要的，因?yàn)槭静ㄆ鳠o(wú)法區(qū)分噪聲，對(duì)其而言，噪聲也是信號(hào)，示波器的功能是真實(shí)地再現(xiàn)信號(hào)，在前端放大器中加到信號(hào)上的噪聲引起了一個(gè)問(wèn)題，即它與用戶輸入信號(hào)上的噪聲無(wú)法區(qū)分，并且對(duì)所有下游路徑都是同樣的。因此，必須盡可能減小前端噪聲- 后期處理技術(shù)不能濾除或消除前端噪聲。

圖1 – 示波器輸入信號(hào)路徑和噪聲源

  與其他所有器件一樣，ADC的工作是真實(shí)地?cái)?shù)字化呈現(xiàn)給它的波形。 但是，交織單個(gè)或多個(gè)ADC芯片和交織多個(gè)片內(nèi)（內(nèi)部）ADC為進(jìn)一步降低噪聲提供了機(jī)會(huì)。

系統(tǒng)中每個(gè)噪聲源的重要參數(shù)：

?       噪聲的幅度

?       噪聲源之間的相關(guān)性

?       信號(hào)路徑中噪聲源的位置以及與系統(tǒng)中的其他路徑的共同程度

?       噪聲的頻譜特性

  隨后我們將討論如何用軟件后處理技術(shù)利用噪聲源的知識(shí)來(lái)提高有效分辨率，但是，一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)仍然存在 - 在應(yīng)用軟件后處理技術(shù)之前，從最低噪聲、最高分辨率的硬件采集系統(tǒng)開(kāi)始，在應(yīng)用軟件后處理技術(shù)后仍將獲得最佳的有效分辨率。有關(guān)可用于降低示波器噪聲的軟件后處理技術(shù)的其他詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)“了解示波器中的垂直分辨率”。

示波器本底噪聲，代表性信號(hào)和ENOB測(cè)量

  示波器完整系統(tǒng)的性能應(yīng)該是有興趣了解示波器噪聲水平的用戶的關(guān)注點(diǎn)，以及他們能否在廣告聲稱的帶寬和采樣率下獲得對(duì)應(yīng)的分辨率和噪聲性能。

本底噪聲

  簡(jiǎn)單的本底噪聲測(cè)試是在示波器通道沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)提供的噪聲性能大致性的指標(biāo)，雖然這個(gè)測(cè)試簡(jiǎn)單易行，但它不是示波器性能最真實(shí)可靠的測(cè)試，因?yàn)榇蠖鄶?shù)示波器在使用時(shí)，都會(huì)有輸入信號(hào)相連。盡管如此，添加輸入信號(hào)時(shí)噪聲不會(huì)降低，因?yàn)樵黾拥男盘?hào)幅度只會(huì)稍后將噪聲添加到噪聲測(cè)量中。 因此，本底噪聲對(duì)于粗略評(píng)估整體性能可能是一個(gè)有用的測(cè)試。

代表性信號(hào)

  基本的“標(biāo)準(zhǔn)”輸入信號(hào)可以揭示更多前端放大器和ADC的性能信息，階躍響應(yīng)和高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)通常用于了解示波器系統(tǒng)的性能。

階躍響應(yīng)

  階躍響應(yīng)可以提供示波器在實(shí)際工作條件下信號(hào)質(zhì)量和完整性的有用信息，除了顯示實(shí)際噪聲性能外，示波器足夠帶寬的階躍響應(yīng)還將顯示前端放大器性能（上升時(shí)間，過(guò)沖，線性度等）。

高速NRZ串行數(shù)據(jù)信號(hào)

  NRZ串行數(shù)據(jù)信號(hào)通常在示波器中以眼圖的形式查看，眼圖僅僅對(duì)應(yīng)于NRZ串行數(shù)據(jù)信號(hào)的1和0轉(zhuǎn)變的一系列階躍響應(yīng)， 如果串行數(shù)據(jù)信號(hào)的速率足夠高，則階躍響應(yīng)上升時(shí)間將會(huì)很快，這是對(duì)示波器的階躍響應(yīng)和噪聲性能的直觀視覺(jué)測(cè)試。 因此，眼圖非常適用于評(píng)估示波器的整體噪聲和采樣時(shí)鐘質(zhì)量。

  高帶寬示波器利用軟件時(shí)鐘恢復(fù)和位分片算法來(lái)顯示沒(méi)有觸發(fā)抖動(dòng)影響的眼圖，因此1和0轉(zhuǎn)換時(shí)間寬度僅取決于采樣時(shí)鐘抖動(dòng)，這最大限度地減少了對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)的依賴 - 具有低觸發(fā)抖動(dòng)是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛|發(fā)電路的隨機(jī)抖動(dòng)可能比實(shí)際串行數(shù)據(jù)信號(hào)中的抖動(dòng)對(duì)抖動(dòng)計(jì)算的影響更大，眼圖中的1和0（頂部和底部）表示可以很好地指示NRZ信號(hào)的1和0電平的噪聲。

  抖動(dòng)通過(guò)時(shí)間間隔誤差的計(jì)算來(lái)計(jì)算 - 測(cè)量周期與實(shí)際時(shí)鐘周期的偏差， 標(biāo)準(zhǔn)定義了從時(shí)間間隔誤差抖動(dòng)的測(cè)量中計(jì)算隨機(jī)抖動(dòng)（Rj）和確定性抖動(dòng)（Dj），并隨后計(jì)算10e-12誤碼率的總抖動(dòng)（Tj），如公式1：

 Tj=14?Rj+Dj

公式1-從Rj和Dj

因此，大的Rj將導(dǎo)致計(jì)算的Tj非常大，并且非常好（低抖動(dòng)）的Rj性能在設(shè)計(jì)中也是非常珍貴的，因此，工程師需要使用給測(cè)量增加很少抖動(dòng)的示波器。

示波器系統(tǒng)ENOB

 示波器ENOB可以從示波器SINAD的測(cè)量中推導(dǎo)出來(lái)。參考公式2：

示波器ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

公式2-從示波器SINAD中計(jì)算示波器ENOB

  如果前端放大器不是系統(tǒng)中的主要噪聲源，則系統(tǒng)ENOB將接近ADC的ENOB，理解ADC ENOB是系統(tǒng)ENOB的上限很重要，但是系統(tǒng)性能才是需要理解的關(guān)鍵性能，實(shí)際上，示波器（系統(tǒng)）ENOB將始終小于ADC ENOB。

公式2假定輸入信號(hào)是滿量程的，如果不是，則需要使用公式3：

ENOB= (SINAD-1.76+20 log?((FullScaleAmplitude)/(InputAmplitude)))/6.02

公式3-計(jì)算輸入信號(hào)幅度小于滿量程的示波器ENOB

  通常情況下，ENOB是在滿量程的90％處進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行調(diào)整的。但是，如果不對(duì)小于滿量程振幅的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，則ENOB計(jì)算結(jié)果將低于其它情況。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)使用90％滿量程幅度信號(hào)測(cè)得的SINAD為55 dB，根據(jù)公式3，ENOB計(jì)算為9，根據(jù)公式2，ENOB計(jì)算為8.84。因此，了解滿量程用于ENOB測(cè)量以及是否對(duì)幅度進(jìn)行了調(diào)整非常重要。

  從這個(gè)公式可以推導(dǎo)出每個(gè)有效位6 dB SINAD的“經(jīng)驗(yàn)法則”，因此，半個(gè)有效位的改進(jìn)相當(dāng)于噪聲減少3dB（30％）,并且1個(gè)有效位的改進(jìn)等同于噪聲減少6dB（50％），ENOB的微小差異意味著垂直（電壓振幅）噪聲很大。

  測(cè)量ENOB的要求是在IEEE-1057-2007“數(shù)字化波形記錄儀標(biāo)準(zhǔn)”中定義的，但是，這種測(cè)量方法不包括數(shù)字示波器中常用的多ADC導(dǎo)致的交織誤差。如果多個(gè)ADC不能完全匹配增益、延遲和偏移量，則它們會(huì)降低信號(hào)。另一種基于FFT的用于測(cè)量ENOB的方法“計(jì)算有效位數(shù)”包括噪聲和失真分量以及ADC交織誤差分量，請(qǐng)記住，在設(shè)計(jì)良好的示波器中，交織誤差分量很小（約為-47dB），并且通常不會(huì)影響ENOB，但其對(duì)低噪聲、高分辨率示波器的影響要高于傳統(tǒng)8位分辨率示波器，這些交織誤差可能是用IEEE-1057 ENOB規(guī)范標(biāo)定高分辨率示波器與真實(shí)世界信號(hào)上觀察到的實(shí)際系統(tǒng)噪聲性能不匹配的另一個(gè)原因。

  測(cè)量ENOB時(shí)，我們需要測(cè)量它相對(duì)頻率的函數(shù)，這是因?yàn)槭д娣至客ǔＪ穷l率的函數(shù)，而且當(dāng)采樣時(shí)鐘抖動(dòng)很高時(shí)，SNR和SINAD也是頻率的函數(shù)。 當(dāng)出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，會(huì)增加相關(guān)頻率處的噪聲和失真，這可以在圖2中看到，請(qǐng)注意，與其他地方相比，輸入的6 GHz正弦波周圍的頻譜噪聲功率要高10dB（由于此特定示波器的采樣時(shí)鐘抖動(dòng)很高），并且在高帶寬下的影響最大。

圖2- 某示波器6 GHz輸入正弦波的噪聲譜密度

圖3顯示了同一臺(tái)示波器對(duì)應(yīng)的SINAD（描述為SNR）與頻率的關(guān)系，SINAD在較高頻率下逐漸降低。

圖3-同一臺(tái)示波器的SINAD vs. frequency

圖4顯示對(duì)不同頻率純正弦輸入信號(hào)的影響，正如圖2所預(yù)期的那樣，隨著頻率的增加，輸入信號(hào)噪聲明顯變得更大。

圖4-某示波器noise vs. frequency

  頻率合成器被用于輸入示波器的正弦波發(fā)生器，大多數(shù)質(zhì)量好的商用頻率合成器的固有本底噪聲水平低于8位示波器采集系統(tǒng)。 但是，頻率合成器本身的本底噪聲可能不會(huì)低于更高分辨率的示波器采集系統(tǒng)，因此，在頻率合成器的輸出端使用帶通濾波器以消除諧波含量，并且輸出正弦波被進(jìn)一步衰減以減小發(fā)生器本底噪聲，如果在12位采集系統(tǒng)上測(cè)量ENOB時(shí)不采用這些步驟，則所做的ENOB測(cè)量將更多地反映所使用的信號(hào)源而非采集系統(tǒng)。

  ENOB規(guī)格可能被簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)字，但重要的是要了解這個(gè)數(shù)字是否僅代表單一頻率下最佳情況下的性能，還是代表廣泛頻率范圍內(nèi)的典型值。毫不奇怪，示波器制造商通常會(huì)指定一個(gè)最有利的ENOB數(shù)字代表性能，特別是如果他們使用的是較低分辨率的ADC或未針對(duì)高分辨率性能優(yōu)化的前端放大器。

  最后，無(wú)論分辨率如何，ENOB都會(huì)隨著帶寬的增加而下降，圖5顯示了8位、10位和12位分辨率示波器的典型ENOB值與示波器帶寬的關(guān)系， 還顯示ENOB趨勢(shì)線以供參考，表示外推到更高帶寬的ENOB線。

圖5-典型8、10和12-bit示波器ENOB VS 帶寬

  例如，2018年購(gòu)買的典型的高質(zhì)量1 GHz示波器預(yù)計(jì)可能具有約6.5的ENOB（盡管ADCENOB可能約為7），十年以前，這個(gè)值會(huì)少0.5到1.0個(gè)比特 - 隨著技術(shù)的成熟，性能逐漸提高。