示波器ENOB值在提升準(zhǔn)確度中的作用 - 全文

　　經(jīng)驗(yàn)豐富的示波器使用者會(huì)進(jìn)一步評(píng)估示波器的更新率、固有抖動(dòng)、雜訊位準(zhǔn)，以及所有可提升量測(cè)品質(zhì)的規(guī)格。然而，評(píng)估頻寬達(dá)GHz范圍的示波器時(shí)，還須考慮另一項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，亦即透過(guò)有效位元數(shù)(ENOB)來(lái)描述示波器中的類(lèi)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(cè)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(jì)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(cè)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵要素，因?yàn)槭静ㄆ髑岸丝烧{(diào)理儀器取樣到的訊號(hào)，以便讓ADC可正確將訊號(hào)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(hào)分配路徑，示波器設(shè)計(jì)工程師往往須費(fèi)盡心力設(shè)計(jì)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(duì)ADC的需求不盡相同，因此示波器廠(chǎng)商一般會(huì)自行設(shè)計(jì)ADC晶片，但每次開(kāi)發(fā)新的前端元件或ADC都須投入相當(dāng)可觀(guān)的成本，故設(shè)計(jì)出的ADC會(huì)用于多個(gè)示波器系列和不同代的機(jī)種。示波器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)盡可能減低這些電路對(duì)取樣訊號(hào)量測(cè)結(jié)果的影響，以提升量測(cè)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(dú)分析個(gè)別元件的特性，因此，必須透過(guò)很多方法來(lái)評(píng)量示波器的前端電路品質(zhì)，而示波器廠(chǎng)商通常使用雜訊量測(cè)和ENOB來(lái)評(píng)估示波器前端與ADC的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

　　不過(guò)，挑選示波器時(shí)不能僅止于評(píng)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(píng)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(cè)品質(zhì)良莠，并可得知示波器前端和ADC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)是否夠穩(wěn)定。

　　由于示波器雜訊會(huì)增加不必要的抖動(dòng)而減少設(shè)計(jì)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?yàn)樵诟哳l狀態(tài)下示波器會(huì)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(píng)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(lái)查看電壓的均方根(RMS)值。

　　掌握ENOB量測(cè)要素　訊號(hào)源振幅/頻率須重視

　　實(shí)際上，ENOB是以一個(gè)固定振幅的正弦波進(jìn)行掃頻量測(cè)，然后擷取電壓量測(cè)結(jié)果并進(jìn)行評(píng)估與分析，分析方法可分為時(shí)域和頻域法。時(shí)域量測(cè)法是將擷取到的時(shí)域資料，減去電壓對(duì)時(shí)間關(guān)系所呈現(xiàn)的最理想波形，來(lái)計(jì)算ENOB值，亦即雜訊。

　　其中，雜訊可能來(lái)自示波器前端，例如不同頻率下相位的非線(xiàn)性和振幅變化，也可能來(lái)自于ADC的交錯(cuò)失真。至于使用頻域法計(jì)算ENOB時(shí)，則須將與主訊號(hào)相關(guān)的功率減去整個(gè)寬頻的功率，如此一來(lái)，時(shí)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(cè)，或是分析示波器廠(chǎng)商提供的ENOB規(guī)格，必須考慮以下幾點(diǎn)。首先，量測(cè)ENOB時(shí)所使用的訊號(hào)源，其頻譜純度會(huì)影響其量測(cè)結(jié)果，因此，訊號(hào)源和搭配使用的濾波器應(yīng)確保來(lái)源ENOB大于示波器的ENOB。

　　其次，量測(cè)所得的ENOB值與訊號(hào)源是否充滿(mǎn)示波器全螢?zāi)坏恼穹扔嘘P(guān)，使用充滿(mǎn)示波器全螢?zāi)坏?5%或90%不同訊號(hào)源進(jìn)行量測(cè)，所得的ENOB值將不相同，有鑒于此，國(guó)際電子互連封裝協(xié)會(huì)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(jiàn)，ENOB值與示波器量測(cè)品質(zhì)息息相關(guān)，故在比較或測(cè)試任何有效位元規(guī)格時(shí)，務(wù)必考慮到待測(cè)訊號(hào)振幅及頻率對(duì)ENOB的影響。

　　通用ENOB標(biāo)準(zhǔn)助陣　ADC優(yōu)劣立見(jiàn)

　　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(guó)際電子電機(jī)工程師學(xué)會(huì)(IEEE)也特別定義一種用ENOB評(píng)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(diǎn)。

　　其中，導(dǎo)管式ADC使用二階或多階轉(zhuǎn)換來(lái)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(gè)256MSa/s取樣率的ADC所組成，可提供更高的取樣率。

?

　　圖1 安捷倫Infiniium 9000系列示波器的ENOB曲線(xiàn)圖，ENOB值會(huì)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(duì)輸入訊號(hào)進(jìn)行取樣，且每個(gè)比較器會(huì)對(duì)應(yīng)到一個(gè)解碼電壓范圍，藉由將訊號(hào)饋送至邏輯電路，這一組比較器會(huì)對(duì)每個(gè)電壓范圍產(chǎn)生一個(gè)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(xiàn)性誤差較高，而導(dǎo)管式ADC通常具有較多的交錯(cuò)誤差。

　　不過(guò)，與常識(shí)相反，某些示波器在不采用最快取樣率時(shí)，反而能提供更準(zhǔn)確的量測(cè)結(jié)果，這是因?yàn)椴捎米羁烊勇蕰r(shí)，示波器可能會(huì)產(chǎn)生額外的交錯(cuò)失真且增加高頻雜訊。

　　因此，示波器廠(chǎng)商針對(duì)其使用的單獨(dú)ADC進(jìn)行內(nèi)部評(píng)估，也會(huì)評(píng)估示波器系統(tǒng)的整體ENOB，所得出的系統(tǒng)ENOB會(huì)低于個(gè)別ADC的ENOB。由于ADC是示波器內(nèi)建的元件，不能單獨(dú)使用，故惟有評(píng)估整體系統(tǒng)的ENOB才有實(shí)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(gè)重要的應(yīng)用在于可用來(lái)衡量示波器ADC的品質(zhì)，若示波器具有良好的ENOB，則其時(shí)序誤差、頻率突波(通常因交錯(cuò)失真所致)和低寬頻雜訊都會(huì)非常小，若產(chǎn)品應(yīng)用以正弦波為主，則可依據(jù)ENOB來(lái)選擇最合適的示波器。

　　一般而言，使用者不會(huì)同時(shí)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(cè)范圍，使用者必須放大波形以便使用整個(gè)垂直量測(cè)范圍，但這樣會(huì)增加觀(guān)測(cè)訊號(hào)的困難度，且可能導(dǎo)致ADC飽和風(fēng)險(xiǎn)而產(chǎn)生不良效應(yīng)。不僅如此，前端雜訊、諧波失真和交錯(cuò)失真，也會(huì)降低示波器ADC的效益。因此，必須利用90%垂直范圍來(lái)量測(cè)訊號(hào)，此時(shí)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(guò)，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(gè)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(gè)輸入訊號(hào)在兩臺(tái)不同示波器上的量測(cè)結(jié)果，這兩臺(tái)示波器雖具有相同的ENOB值，但可明顯看出其中一臺(tái)示波器顯示的波形更接近真實(shí)的輸入訊號(hào)。

?

　　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(wú)法真實(shí)呈現(xiàn)輸入訊號(hào)。

　　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?yàn)槿绻麅膳_(tái)示波器的ENOB相同，很可能會(huì)顯示相同的波形，但絕對(duì)電壓偏移卻不一樣。藉由調(diào)整偏移并量測(cè)雜訊，或是評(píng)估直流增益規(guī)格，方可獲得更好的評(píng)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(hù)挑選出合適的示波器。然而，實(shí)際情況并非如此，示波器廠(chǎng)商的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)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(hào)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(tái)同樣標(biāo)榜6GHz頻寬的示波器觀(guān)察2.1GHz正弦波時(shí)，可能會(huì)得到不同波形，其中一臺(tái)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(tái)示波器在頻率下降前，可能具有峰值超過(guò)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(duì)較佳。

　　善用濾波器/擷取模式　提高ENOB有撇步

　　有鑒于ENOB對(duì)示波器的重要性，若要增加ENOB，最有效的方法除一開(kāi)始就購(gòu)買(mǎi)具有較高ENOB的示波器外，亦可要求示波器廠(chǎng)商提供各個(gè)示波器機(jī)型的整體ENOB值。

　　另外，由于大多數(shù)高階示波器均提供使用者可自選的頻寬限制濾波器，開(kāi)啟濾波器后便可限制示波器頻寬，并可抑制交錯(cuò)誤差和雜訊等高頻內(nèi)容，進(jìn)而提高ENOB值。

　　除此之外，示波器亦可使用平均或高解析度擷取模式，進(jìn)一步量測(cè)重復(fù)訊號(hào)以減少寬頻雜訊，而使用這些模式亦可有效進(jìn)行準(zhǔn)確度更高的量測(cè)。

　　ENOB/雜訊位準(zhǔn)雙重把關(guān)　示波器挑選不失誤

　　其實(shí)使用者對(duì)ENOB的考量主要還是取決于想要量測(cè)的項(xiàng)目，以及ENOB是否會(huì)影響量測(cè)結(jié)果，因此在挑選示波器時(shí)，須一并考慮ENOB圖與雜訊位準(zhǔn)量測(cè)結(jié)果。

　　舉例來(lái)說(shuō)，若待測(cè)訊號(hào)主要是基本的正弦波，如某些國(guó)防應(yīng)用等，ENOB可能是絕佳的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，可要求示波器廠(chǎng)商提供您感興趣的示波器機(jī)型的ENOB圖，但要記住ENOB值會(huì)隨著頻率變化而改變，故要掌握所選的機(jī)型在全額定頻率范圍內(nèi)的ENOB值。

　　不過(guò)，若在某些特定頻率下，高速串列數(shù)位訊號(hào)會(huì)有諧波成分，它們有可能通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)而不會(huì)因有效位元減少而受影響。在此情況下，示波器雜訊位準(zhǔn)可以更有效評(píng)量準(zhǔn)確度。