示波器ENOB值在提升準(zhǔn)確度中的作用

　　經(jīng)驗豐富的示波器使用者會進(jìn)一步評估示波器的更新率、固有抖動、雜訊位準(zhǔn)，以及所有可提升量測品質(zhì)的規(guī)格。然而，評估頻寬達(dá)GHz范圍的示波器時，還須考慮另一項品質(zhì)指標(biāo)，亦即透過有效位元數(shù)(ENOB)來描述示波器中的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)特性。因此，如何有效掌握示波器的量測準(zhǔn)確度，ENOB遂成為至關(guān)重要的指標(biāo)。

　　檢視前端/ADC設(shè)計品質(zhì)　首重ENOB/雜訊位準(zhǔn)

　　在示波器架構(gòu)中，前端(Front-end)與ADC技術(shù)是提升量測準(zhǔn)確度的關(guān)鍵要素，因為示波器前端可調(diào)理儀器取樣到的訊號，以便讓ADC可正確將訊號數(shù)位化。其中，示波器前端元件包含衰減器、前置放大器和訊號分配路徑，示波器設(shè)計工程師往往須費盡心力設(shè)計前端元件，才能獲得平坦的頻率響應(yīng)、較低的雜訊，和所需的頻率下降度。

　　由于示波器對ADC的需求不盡相同，因此示波器廠商一般會自行設(shè)計ADC晶片，但每次開發(fā)新的前端元件或ADC都須投入相當(dāng)可觀的成本，故設(shè)計出的ADC會用于多個示波器系列和不同代的機(jī)種。示波器設(shè)計團(tuán)隊會盡可能減低這些電路對取樣訊號量測結(jié)果的影響，以提升量測準(zhǔn)確度。

　　雖然使用者可衡量ADC和前端元件組合在一起后的特性，卻很難單獨分析個別元件的特性，因此，必須透過很多方法來評量示波器的前端電路品質(zhì)，而示波器廠商通常使用雜訊量測和ENOB來評估示波器前端與ADC的設(shè)計品質(zhì)。

　　不過，挑選示波器時不能僅止于評估ENOB或雜訊位準(zhǔn)，而要綜合考慮示波器的整體效能，特別是評估不同垂直設(shè)定與偏移值下的示波器雜訊位準(zhǔn)，有助于進(jìn)一步確認(rèn)示波器量測品質(zhì)良莠，并可得知示波器前端和ADC轉(zhuǎn)換器設(shè)計是否夠穩(wěn)定。

　　由于示波器雜訊會增加不必要的抖動而減少設(shè)計余裕，且通常示波器頻寬愈高，產(chǎn)生的內(nèi)部雜訊就愈多，這是因為在高頻狀態(tài)下示波器會接收累積雜訊;而頻寬較低的示波器則因頻率下降度較低，反而可濾掉這些雜訊。因此，欲評估示波器雜訊，最直接的方法就是輸入通道不接收任何東西，并藉由改變垂直靈敏度與偏移值來查看電壓的均方根(RMS)值。

　　掌握ENOB量測要素　訊號源振幅/頻率須重視

　　實際上，ENOB是以一個固定振幅的正弦波進(jìn)行掃頻量測，然后擷取電壓量測結(jié)果并進(jìn)行評估與分析，分析方法可分為時域和頻域法。時域量測法是將擷取到的時域資料，減去電壓對時間關(guān)系所呈現(xiàn)的最理想波形，來計算ENOB值，亦即雜訊。

　　其中，雜訊可能來自示波器前端，例如不同頻率下相位的非線性和振幅變化，也可能來自于ADC的交錯失真。至于使用頻域法計算ENOB時，則須將與主訊號相關(guān)的功率減去整個寬頻的功率，如此一來，時域和頻域法所得的結(jié)果方能一致。

　　另外，若想執(zhí)行ENOB量測，或是分析示波器廠商提供的ENOB規(guī)格，必須考慮以下幾點。首先，量測ENOB時所使用的訊號源，其頻譜純度會影響其量測結(jié)果，因此，訊號源和搭配使用的濾波器應(yīng)確保來源ENOB大于示波器的ENOB。

　　其次，量測所得的ENOB值與訊號源是否充滿示波器全螢?zāi)坏恼穹扔嘘P(guān)，使用充滿示波器全螢?zāi)坏?5%或90%不同訊號源進(jìn)行量測，所得的ENOB值將不相同，有鑒于此，國際電子互連封裝協(xié)會聯(lián)合數(shù)據(jù)中心(JDEC)標(biāo)準(zhǔn)建議以全螢?zāi)坏?0%做為確認(rèn)ENOB值的振幅。

　　顯而易見，ENOB值與示波器量測品質(zhì)息息相關(guān)，故在比較或測試任何有效位元規(guī)格時，務(wù)必考慮到待測訊號振幅及頻率對ENOB的影響。

　　通用ENOB標(biāo)準(zhǔn)助陣　ADC優(yōu)劣立見

　　值得注意的是，目前示波器的ADC多半采導(dǎo)管式(Pipelined)或快閃式(Flash)架構(gòu)，而國際電子電機(jī)工程師學(xué)會(IEEE)也特別定義一種用ENOB評估ADC優(yōu)劣的方法，以協(xié)助使用者確認(rèn)各種ADC的優(yōu)缺點。

　　其中，導(dǎo)管式ADC使用二階或多階轉(zhuǎn)換來獲致較高的取樣率，例如安捷倫(Agilent)90000A系列示波器所配備的20GSa/s ADC(圖1)，其內(nèi)部是由八十個256MSa/s取樣率的ADC所組成，可提供更高的取樣率。

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　　圖1 安捷倫Infiniium 9000系列示波器的ENOB曲線圖，ENOB值會因頻率不同而有所差異，且每款示波器的ENOB圖各不相同。此ENOB圖顯示整體示波器系統(tǒng)的ENOB，而不只是8位元ADC的ENOB。

　　至于快閃式ADC則具備一組比較器，可平行對輸入訊號進(jìn)行取樣，且每個比較器會對應(yīng)到一個解碼電壓范圍，藉由將訊號饋送至邏輯電路，這一組比較器會對每個電壓范圍產(chǎn)生一個編碼。然而，每一種ADC技術(shù)都有其局限性，例如快閃式ADC的線性誤差較高，而導(dǎo)管式ADC通常具有較多的交錯誤差。

　　不過，與常識相反，某些示波器在不采用最快取樣率時，反而能提供更準(zhǔn)確的量測結(jié)果，這是因為采用最快取樣率時，示波器可能會產(chǎn)生額外的交錯失真且增加高頻雜訊。

　　因此，示波器廠商針對其使用的單獨ADC進(jìn)行內(nèi)部評估，也會評估示波器系統(tǒng)的整體ENOB，所得出的系統(tǒng)ENOB會低于個別ADC的ENOB。由于ADC是示波器內(nèi)建的元件，不能單獨使用，故惟有評估整體系統(tǒng)的ENOB才有實質(zhì)意義。

　　衡量ADC品質(zhì)　偏移/相位/頻率失真須納入考量

　　為保持ADC效能穩(wěn)定，ENOB另一個重要的應(yīng)用在于可用來衡量示波器ADC的品質(zhì)，若示波器具有良好的ENOB，則其時序誤差、頻率突波(通常因交錯失真所致)和低寬頻雜訊都會非常小，若產(chǎn)品應(yīng)用以正弦波為主，則可依據(jù)ENOB來選擇最合適的示波器。

　　一般而言，使用者不會同時用盡示波器ADC的8位元解析度，為充分利用8位元垂直量測范圍，使用者必須放大波形以便使用整個垂直量測范圍，但這樣會增加觀測訊號的困難度，且可能導(dǎo)致ADC飽和風(fēng)險而產(chǎn)生不良效應(yīng)。不僅如此，前端雜訊、諧波失真和交錯失真，也會降低示波器ADC的效益。因此，必須利用90%垂直范圍來量測訊號，此時使用者應(yīng)將示波器8位元轉(zhuǎn)換器降低至7.2位元(90%×8位元)。

　　只不過，ENOB做為一種衡量ADC與前端元件優(yōu)劣的方法，但它忽略其他幾個參數(shù)，包括ENOB并不考慮偏移、相位不一致及頻率響應(yīng)失真等因素。如圖2所示，一個輸入訊號在兩臺不同示波器上的量測結(jié)果，這兩臺示波器雖具有相同的ENOB值，但可明顯看出其中一臺示波器顯示的波形更接近真實的輸入訊號。

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　　圖2 Scope 1和Scope 2擁有相同的ENOB，但Scope 2卻因偏移和相位失真誤差等因素，無法真實呈現(xiàn)輸入訊號。

　　此一現(xiàn)象表示ENOB并未考慮示波器可能導(dǎo)入的偏移誤差，因為如果兩臺示波器的ENOB相同，很可能會顯示相同的波形，但絕對電壓偏移卻不一樣。藉由調(diào)整偏移并量測雜訊，或是評估直流增益規(guī)格，方可獲得更好的評估指標(biāo)。

　　理想狀況下，所有示波器都具有平坦的相位和頻率響應(yīng)，以及相同的下降特性，以便讓客戶挑選出合適的示波器。然而，實際情況并非如此，示波器廠商的產(chǎn)品規(guī)格書通常不提供相位和頻率響應(yīng)圖，而ENOB亦未考慮頻率響應(yīng)平坦度或相位不一致等因素。

　　此外，若只考慮ENOB較高的示波器，所顯示的輸入訊號不一定較準(zhǔn)確。由于不同示波器機(jī)型的頻率響應(yīng)及相位不一致都各不相同，例如用兩臺同樣標(biāo)榜6GHz頻寬的示波器觀察2.1GHz正弦波時，可能會得到不同波形，其中一臺示波器可能因頻寬下降速度較慢，并只進(jìn)行些微的相位校正，而獲得較差的結(jié)果;另一臺示波器在頻率下降前，可能具有峰值超過6GHz的頻率響應(yīng)，并采用可有效校正相位的演算法，而表現(xiàn)相對較佳。