關于示波器的有效位指標ENOB探討

　　當示波器用戶選擇示波器進行關鍵的測量時，了解示波器測量系統的質量是極為重要的。盡管基于一些關鍵指標如帶寬、采樣率、存儲深度等可以進行一些zui基本的比較，但僅僅這些指標并不能充分描述示波器的測量質量。經驗豐富的示波器使用者還會比較示波器的波形捕獲率、本底抖動、底噪聲，這些指標可以保證進行更好的測量。對于GHz級帶寬的示波器來說，會引入另一個ENOB（effectivenumber of bits,即等效位數）的指標，來描述示波器里使用的模數轉換器（ADC）的性能。ENOB指標的提出是因為當高速ADC進行數據采集時，由于噪聲和失真的影響，實際ADC的信噪失真比達不達其標稱位數應達到的理想性能，比如很多通信中使用的12bit的ADC在實際工作環境中有效位數只有10bit左右。

　　那么，當選擇示波器時，ENOB到底重要嗎?ENOB能有效預測示波器的測量精度嗎?

　　在數字示波器的架構中，和測量精度有關的電路包括示波器的前端電路和采用的ADC技術。示波器的前端電路對被測信號進行調理以便后面的ADC可以正確進行采樣和數字化。前端電路包括衰減器、放大器和信號分配路徑。

　　示波器的設計人員花費大量精力設計前端電路以獲得平坦的頻率響應、低的噪聲以及期望的頻響曲線。由于示波器對于ADC有特殊要求，所以示波器廠商一般都自己設計ADC芯片。開發新的前端和ADC需要大量投入，因此設計出來的ADC通常會用于多個示波器系列或多代示波器中。示波器設計團隊會盡量使這些電路對被測信號的失真盡可能小，以獲得的測量精度。

　　對于使用者來說，用戶可以衡量前端電路和ADC組合在一起后的指標，但是不太容易對各部分指標單獨衡量。有很多方法可以測量示波器前端電路質量，示波器廠商通常使用底噪聲和ENOB指標來評估示波器的前端和ADC電路的設計質量，但很多時候綜合考慮示波器的性能比單獨評估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估示波器測量質量的一個很好依據，這些測量結果可以告訴用戶示波器的前端和ADC電路設計得有多純凈，因為示波器的底噪聲會增加額外的抖動并減小設計裕量。一般情況下，示波器帶寬越高，其內部噪聲就越高。因為高頻噪聲會進入高帶寬示波器內，但對于低帶寬示波器來說，這些高頻噪聲則會被其過濾掉。zui直接的評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評估ADC質量的方法。現在的數字示波器主要使用2種ADC技術：流水線型或Flash型。流水線型ADC使用2級或多級轉換以獲得更高的轉換速率，比如Agilent的90000A系列示波器使用的20G/s采樣率的ADC,其內部是由80個256M/s采樣率的ADC組成以獲得更高的采樣率。有趣的是，和常識相反，一些示波器在不使用zui高采樣率時可以提供更高的測量精度。這是由于有些示波器為了獲得高采樣率可能需要多片ADC進行拼接，這會造成額外的拼接誤差從而造成信號失真，并且還會增加額外的高頻噪聲。FLASH型的ADC用一組比較器對輸入信號進行并行采樣，每個比較器對應一段電壓范圍。比較器的結果輸出送給邏輯解碼電路，每段輸入電壓范圍會產生一個解碼的輸出結果。無論使用哪種ADC技術都有其局限性，比如Flash型的ADC的線性誤差差一些，而流水線型ADC可能會有更多拼接帶來的誤差。IEEE建立了ENOB的標準用于幫助用戶評估不同ADC的好壞。

　　示波器廠商會對其使用的分立的ADC芯片做內部評測，同時也會評測整個示波器系統的ENOB,整個示波器系統的ENOB會比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC僅為示波器系統的一部分，不能獨立使用，因此整個示波器系統的ENOB指標才有意義。

　　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，但這會造成觀察信號更加困難，并且有可能會造成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，對于8bit的ADC來說，實際使用的ADC的位數就只有7bit。除此以外，前端噪聲、諧波失真、交織造成的失真也都會減小示波器的有效位數。

　　ENOB的值和頻率有關，且每款示波器都有自己的ENOB曲線。ENOB曲線是針對整個示波器系統的而不僅是其8bit的ADC芯片。

什么是ENOB?ENOB是怎么測量的?

　　ENOB 是用一個固定幅度的正弦波信號進行掃頻，在不同頻率下對采集到的電壓數據進行分析和評估。分析的方法可分為時域和頻域的。時域的評估方法是把采集到的時域數據和一個據此的擬和出的理想波形相減，相減的結果就是噪聲。噪聲可能來自于示波器的前端，比如不同頻率下相位的非線性和幅度變化，還有可能來自于ADC拼接造成的失真。頻域的評估方法是對信號做FFT變換，然后把主信號功率和帶寬內的其它噪聲和失真功率相減。用時域和頻域方法得到的結果是一樣的。

　　如果您想進行ENOB測量，或者分析您的示波器廠商提供的ENOB指標，需要考慮以下因素。進行ENOB測量時使用的正弦波信號源的純度會影響ENOB的結果。首先，信號源和配合使用的濾波器需要保證測量源的ENOB比被測示波器的ENOB要大。其次，ENOB的測量結果和被測信號是否充滿示波器滿量程有關，被測信號充滿示波器屏幕滿量程的75%和90%得到得ENOB的結果是不一樣的。任何有效bit的的比較或測量都需要考慮被測信號的頻率和幅度的影響。

　　ENOB能說明什么?

　　ENOB 可以用來衡量示波器ADC的質量。如果示波器的ENOB指標好，它的時間誤差、頻率雜散（通常由拼接誤差引起）都比較小，同時寬帶噪聲也比較低。如果您的應用主要和正弦波相關，ENOB是進行示波器選擇的很有用的指標。

　　ENOB不能說明什么?

　　盡管ENOB是測量ADC和前端好壞的一個方法，但是它忽略了其它幾個屬性。ENOB沒有考慮偏置誤差、相位不一致以及頻響失真等。圖2顯示了一個輸入信號在兩臺不同的示波器上的測量結果。兩臺示波器的ENOB是相同的，但示波器1顯示的波形更加接近真實的輸入信號，而示波器2顯示的波形就失真比較大。
　　
　　圖2 盡管ENOB提供了一種評估示波器的基本方法，它并沒有考慮到幅相平坦度的影響。

　　圖中示波器1和2有相同ENOB,但示波器2有偏置誤差和相位失真，因此不能真實還原輸入信號。
　　ENOB沒有考慮到示波器可能引入的偏置誤差，兩臺有相同ENOB的示波器有可能顯示的波形形狀*一樣但是電壓偏置不一樣。對于這一點，測量示波器在不同偏置下的底噪聲或者評估直流增益指標可以提供更好的評價方法。

　　理想情況下所有示波器都具平坦的相位和頻響曲線以及相同的滾降方式，但事實上一般在示波器廠商的指標手冊里都找不到相位和頻響曲線，同樣ENOB也沒有考慮頻響平坦度或相位的不一致性。事實上，不同示波器型號的頻響和相位不一致性是不一樣的。比如用兩臺同樣標稱6GHz帶寬的示波器測量2.1GHz的正弦波時可能會得到不同的波形。一臺示波器可能頻響曲線滾降比較慢并且只進行很小的相位修正，另一臺示波器的頻響曲線則可能在滾降前在6GHz以上有一個峰并使用了大量相位校正算法。示波器有更高的ENOB并不是示波器能夠真實重現輸入信號的必要條件。

　　怎樣增加我示波器的ENOB?

　　明顯的答案是先購買一個有更高ENOB的示波器。如果被問到，示波器廠商可能會提供每個示波器型號的ENOB值。很多高帶寬示波器都提供有用戶可選的帶寬限制濾波器，打開濾波器可以限制示波器的帶寬，這樣可以抑制交織誤差和噪聲等高頻分量，從而獲得更高的ENOB.除此以外，示波器還可以對重復性的或低頻信號使用平均或高分辨率的采集模式以減少寬帶噪聲。綜合使用這些模式可以有效進行更高精度測量。

　　ENOB對于選擇示波器有多重要?

　　這主要取決于您在測量什么，以及ENOB是否會影響到您的測量結果。ENOB曲線應該和底噪聲一起考慮。高速串行的數字信號有固定的數據速率，因此在特定頻率點會有諧波成分，這些諧波成分有可能通過測量系統而不會受低有效bit的影響。對于這些應用，示波器的底噪聲可以更好衡量測量精度。如果您的被測信號主要是基本的正弦波，如一些軍事應用中那樣，ENOB可能是一個很好的標準。

　　您可以向示波器廠商咨詢感興趣的某型號示波器的ENOB,但重要的是要知道ENOB是一個隨頻率變化的值，您應該知道所選設備在帶寬內所有頻率點的ENOB值。