示波器的有效位指标ENOB探讨

 

　　当示波器用户选择示波器进行关键的测量时，了解示波器测量系统的质量是极为重要的。尽管基于一些关键指标如带宽、采样率、存储深度等可以进行一些最基本的比较，但仅仅这些指标并不能充分描述示波器的测量质量。经验丰富的示波器使用者还会比较示波器的波形捕获率、本底抖动、底噪声，这些指标可以保证进行更好的测量。对于GHz级带宽的示波器来说，会引入另一个ENOB(effectivenumber of bits,即等效位数)的指标，来描述示波器里使用的模数转换器(ADC)的性能。ENOB指标的提出是因为当高速ADC进行数据采集时，由于噪声和失真的影响，实际ADC的信噪失真比达不达其标称位数应达到的理想性能，比如很多通信中使用的12bit的ADC在实际工作环境中有效位数只有10bit左右。

　　那么，当选择示波器时，ENOB到底重要吗?ENOB能有效预测示波器的测量精度吗?

　　在数字示波器的架构中，和测量精度有关的电路包括示波器的前端电路和采用的ADC技术。示波器的前端电路对被测信号进行调理以便后面的ADC可以正确进行采样和数字化。前端电路包括衰减器、放大器和信号分配路径。

　　示波器的设计人员花费大量精力设计前端电路以获得平坦的频率响应、低的噪声以及期望的频响曲线。由于示波器对于ADC有特殊要求，所以示波器厂商一般都自己设计ADC芯片。开发新的前端和ADC需要大量投入，因此设计出来的ADC通常会用于多个示波器系列或多代示波器中。示波器设计团队会尽量使这些电路对被测信号的失真尽可能小，以获得最好的测量精度。

　　对于使用者来说，用户可以衡量前端电路和ADC组合在一起后的指标，但是不太容易对各部分指标单独衡量。有很多方法可以测量示波器前端电路质量，示波器厂商通常使用底噪声和ENOB指标来评估示波器的前端和ADC电路的设计质量，但很多时候综合考虑示波器的性能比单独评估ENOB或底噪声更加有用。

　　示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪声是评估示波器测量质量的一个很好依据，这些测量结果可以告诉用户示波器的前端和ADC电路设计得有多纯净，因为示波器的底噪声会增加额外的抖动并减小设计裕量。一般情况下，示波器带宽越高，其内部噪声就越高。因为高频噪声会进入高带宽示波器内，但对于低带宽示波器来说，这些高频噪声则会被其过滤掉。最直接的评估示波器底噪声的方法就是输入通道不接任何东西，然后测量示波器在不同量程和偏置情况下电压的RMS值。

　　IEEE定义了一种用ENOB评估ADC质量的方法。现在的数字示波器主要使用2种ADC技术：流水线型或Flash型。流水线型ADC使用2级或多级转换以获得更高的转换速率，比如Agilent的90000A系列示波器使用的20G/s采样率的ADC,其内部是由80个256M/s采样率的ADC组成以获得更高的采样率。有趣的是，和常识相反，一些示波器在不使用最高采样率时可以提供更高的测量精度。这是由于有些示波器为了获得高采样率可能需要多片ADC进行拼接，这会造成额外的拼接误差从而造成信号失真，并且还会增加额外的高频噪声。FLASH型的ADC用一组比较器对输入信号进行并行采样，每个比较器对应一段电压范围。比较器的结果输出送给逻辑解码电路，每段输入电压范围会产生一个解码的输出结果。无论使用哪种ADC技术都有其局限性，比如Flash型的ADC的线性误差差一些，而流水线型ADC可能会有更多拼接带来的误差。IEEE建立了ENOB的标准用于帮助用户评估不同ADC的好坏。

　　示波器厂商会对其使用的分立的ADC芯片做内部评测，同时也会评测整个示波器系统的ENOB,整个示波器系统的ENOB会比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC仅为示波器系统的一部分，不能独立使用，因此整个示波器系统的ENOB指标才有意义。

　　用户通常没有充分使用示波器的ADC的8bit分辨率。比如要充分利用8bit的垂直量程范围，用户需要放大波形以充满示波器的垂直量程范围，但这会造成观察信号更加困难，并且有可能会造成ADC的饱和等不必要的影响。因此，如果用户只使用了满量程的一半，对于8bit的ADC来说，实际使用的ADC的位数就只有7bit。除此以外，前端噪声、谐波失真、交织造成的失真也都会减小示波器的有效位数。

　　

 

　　图1 Agilent Infiniium 9000系列示波器的ENOB曲线举例。

　　ENOB的值和频率有关，且每款示波器都有自己的ENOB曲线。ENOB曲线是针对整个示波器系统的而不仅是其8bit的ADC芯片。

　　什么是ENOB?ENOB是怎么测量的?

　　ENOB 是用一个固定幅度的正弦波信号进行扫频，在不同频率下对采集到的电压数据进行分析和评估。分析的方法可分为时域和频域的。时域的评估方法是把采集到的时域数据和一个据此的拟和出的理想波形相减，相减的结果就是噪声。噪声可能来自于示波器的前端，比如不同频率下相位的非线性和幅度变化，还有可能来自于ADC拼接造成的失真。频域的评估方法是对信号做FFT变换，然后把主信号功率和带宽内的其它噪声和失真功率相减。用时域和频域方法得到的结果是一样的。

　　如果您想进行ENOB测量，或者分析您的示波器厂商提供的ENOB指标，需要考虑以下因素。进行ENOB测量时使用的正弦波信号源的纯度会影响ENOB的结果。首先，信号源和配合使用的滤波器需要保证测量源的ENOB比被测示波器的ENOB要大。其次，ENOB的测量结果和被测信号是否充满示波器满量程有关，被测信号充满示波器屏幕满量程的75%和90%得到得ENOB的结果是不一样的。任何有效bit的的比较或测量都需要考虑被测信号的频率和幅度的影响。

　　ENOB能说明什么?

　　ENOB 可以用来衡量示波器ADC的质量。如果示波器的ENOB指标好，它的时间误差、频率杂散(通常由拼接误差引起)都比较小，同时宽带噪声也比较低。如果您的应用主要和正弦波相关，ENOB是进行示波器选择的很有用的指标。

　　ENOB不能说明什么?

　　尽管ENOB是测量ADC和前端好坏的一个方法，但是它忽略了其它几个属性。ENOB没有考虑偏置误差、相位不一致以及频响失真等。图2显示了一个输入信号在两台不同的示波器上的测量结果。两台示波器的ENOB是相同的，但示波器1显示的波形更加接近真实的输入信号，而示波器2显示的波形就失真比较大。

　　

 

　　图2 尽管ENOB提供了一种评估示波器的基本方法，它并没有考虑到幅相平坦度的影响。

　　图中示波器1和2有相同ENOB,但示波器2有偏置误差和相位失真，因此不能真实还原输入信号。

　　ENOB没有考虑到示波器可能引入的偏置误差，两台有相同ENOB的示波器有可能显示的波形形状完全一样但是绝对电压偏置不一样。对于这一点，测量示波器在不同偏置下的底噪声或者评估直流增益指标可以提供更好的评价方法。

　　理想情况下所有示波器都具有平坦的相位和频响曲线以及相同的滚降方式，但事实上一般在示波器厂商的指标手册里都找不到相位和频响曲线，同样ENOB也没有考虑频响平坦度或相位的不一致性。事实上，不同示波器型号的频响和相位不一致性是不一样的。比如用两台同样标称6GHz带宽的示波器测量2.1GHz的正弦波时可能会得到不同的波形。一台示波器可能频响曲线滚降比较慢并且只进行很小的相位修正，另一台示波器的频响曲线则可能在滚降前在6GHz以上有一个峰并使用了大量相位校正算法。示波器有更高的ENOB并不是示波器能够真实重现输入信号的必要条件。

　　怎样增加我示波器的ENOB?

　　明显的答案是先购买一个有更高ENOB的示波器。如果被问到，示波器厂商可能会提供每个示波器型号的ENOB值。很多高带宽示波器都提供有用户可选的带宽限制滤波器，打开滤波器可以限制示波器的带宽，这样可以抑制交织误差和噪声等高频分量，从而获得更高的ENOB.除此以外，示波器还可以对重复性的或低频信号使用平均或高分辨率的采集模式以减少宽带噪声。综合使用这些模式可以有效进行更高精度测量。

　　ENOB对于选择示波器有多重要?

　　这主要取决于您在测量什么，以及ENOB是否会影响到您的测量结果。ENOB曲线应该和底噪声一起考虑。高速串行的数字信号有固定的数据速率，因此在特定频率点会有谐波成分，这些谐波成分有可能通过测量系统而不会受低有效bit的影响。对于这些应用，示波器的底噪声可以更好衡量测量精度。如果您的被测信号主要是基本的正弦波，如一些军事应用中那样，ENOB可能是一个很好的标准。

　　您可以向示波器厂商咨询感兴趣的某型号示波器的ENOB,但重要的是要知道ENOB是一个随频率变化的值，您应该知道所选设备在带宽内所有频率点的ENOB值。