6．示波器的等效位數(shù)

當(dāng)用戶選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測量時，了解示波器測量系統(tǒng)的性能是極為重要的。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量質(zhì)量。經(jīng)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(biāo)可以保證進(jìn)行更好的測量。對于GHz級以上帶寬的示波器來說，有時會引入一個ENOB（Effective Number Of Bits，等效位數(shù)）的指標(biāo)。

ENOB指標(biāo)的提出是因為當(dāng)高速ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，由于噪聲和失真的影響，實際ADC的信噪失真比達(dá)不到其標(biāo)稱位數(shù)應(yīng)達(dá)到的理想性能，例如很多通信中使用的標(biāo)稱12bit的ADC在實際工作環(huán)境中有效位數(shù)只有10bit左右。

那么，當(dāng)選擇示波器時，ENOB重要嗎？ENOB能有效預(yù)測示波器的測量精度嗎？這個需要區(qū)別對待。

在數(shù)字示波器的架構(gòu)中，與測量精度有關(guān)的電路包括示波器的前端電路和后面的ADC采樣電路。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(biāo)，但是不太容易對各部分指標(biāo)單獨衡量，因此很多時候綜合考慮示波器的性能比單獨評估ENOB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(zhì)量的一個很好依據(jù)，這些測量結(jié)果可以告訴用戶示波器的前端和ADC電路設(shè)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(shè)計裕量。一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。因為高頻噪聲會進(jìn)入高帶寬示波器內(nèi)，但對于低帶寬示波器來說，這些高頻噪聲則會被其過濾掉。最直接的評估示波器底噪聲的方法就是輸入通道不接任何設(shè)備，然后測量示波器在不同量程和偏置情況下電壓的RMS值。

示波器廠商通常會對其使用的分立的ADC芯片做內(nèi)部評測，同時也會評測整個示波器系統(tǒng)的ENOB，整個示波器系統(tǒng)的ENOB會比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC僅為示波器系統(tǒng)的一部分，不能獨立使用，因此整個示波器系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)才有意義。

在ENOB的測量中，一般是用一個固定幅度的正弦波信號進(jìn)行掃頻，在不同頻率下對采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)和一個據(jù)此的擬和出的理想波形相減，相減的結(jié)果就是噪聲。噪聲可能來自于示波器的前端，例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(nèi)的其他噪聲和失真功率相減。用時域和頻域方法得到的結(jié)果理論上應(yīng)該是一樣的。

如果想進(jìn)行ENOB測量，或者分析示波器的ENOB指標(biāo)，需要考慮以下因素：進(jìn)行ENOB測量時使用的正弦波信號源的純度會影響ENOB的結(jié)果，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大；其次，ENOB的測量結(jié)果與被測信號是否充滿示波器滿量程有關(guān)，被測信號充滿示波器屏幕滿量程的75%和90%得到的ENOB的結(jié)果是不一樣的；最后一點是，ENOB通常不是一個定值，其還與輸入信號的頻率有關(guān)。圖4.15是某款8bit的中檔示波器的ENOB曲線。可以看到，ENOB的值與輸入信號的頻率有關(guān)，且每款示波器都有自己的ENOB曲線。

ENOB可以用來衡量示波器ADC的質(zhì)量。如果示波器的ENOB指標(biāo)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。如果測量應(yīng)用主要與正弦波相關(guān)，ENOB是進(jìn)行示波器選擇的很有用的指標(biāo)。但需要注意的是，ENOB的評測中忽略了其他幾個與實際測量有關(guān)的屬性：例如ENOB沒有考慮偏置誤差、相位不一致以及頻響失真等。圖4.16顯示了一個脈沖信號在兩臺不同的示波器上的測量結(jié)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，原因就是示波器2的相位的非線性更加惡劣，不同諧波的延時不一致從而造成合成后信號的失真。

另外ENOB也沒有考慮幅度不平坦的因素。理想情況下所有示波器都具有平坦的相位和頻響曲線以及相同的滾降方式，但一般在示波器廠商的指標(biāo)手冊中都找不到相位和頻響曲線。事實上，不同示波器型號的頻響曲線是不一樣的。例如用兩臺同樣標(biāo)稱6GHz帶寬的示波器測量2.1GHz的正弦波時可能會得到幅度不同的波形。一臺示波器的頻響曲線可能滾降比較慢并且只進(jìn)行很小的相位修正，另一臺示波器的頻響曲線則可能在6GHz前有一個峰并使用了大量相位校正算法。

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(fù)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(jìn)行更高精度測量。

綜合來說，高速串行的數(shù)字信號有固定的數(shù)據(jù)速率，因此在特定頻率點會有諧波成分，對于這些應(yīng)用，示波器的底噪聲、帶內(nèi)平坦度、頻響曲線等可以更好地衡量測量精度。如果被測信號主要是基本的正弦波，ENOB可能是一個很好的標(biāo)準(zhǔn)，但同時還要注意ENOB是一個隨頻率變化的值，使用者應(yīng)該知道所選設(shè)備在帶寬內(nèi)所有頻率點的ENOB值。