示波器ENOB對(duì)實(shí)際信號(hào)測(cè)試的影響

衡量示波器測(cè)試系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)有很多，而“有效位數(shù)”對(duì)于了解整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)至關(guān)重要。本文將討論示波器有效位ENOB，以及ENOB對(duì)實(shí)際信號(hào)測(cè)試的影響，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，給出EXCEL求解的方法。

前言

圖1 數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，信號(hào)通過(guò)探頭系統(tǒng)進(jìn)入示波器后，經(jīng)過(guò)衰減器和前置放大器調(diào)理后進(jìn)入ADC。衰減電路和放大器通過(guò)繼電器進(jìn)行協(xié)同工作，在調(diào)整垂直分辨率時(shí)可快速切換使用。衡量ADC性能指標(biāo)的參數(shù)有很多，比如采樣率、DNL、INL、信噪比、有效位等。本文主要討論ADC的有效位指標(biāo)以及示波器系統(tǒng)的有效位。

ADC有效位定義

圖2 ADC采集的正弦波頻域分布

ADC的有效位指標(biāo)是對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析間接計(jì)算得到的。圖2是正弦波經(jīng)過(guò)AD采樣再經(jīng)過(guò)FFT變換得到的頻域分布圖，除了主要的正弦波分量外還存在很多噪聲、諧波和雜散信號(hào)。

ADC的有效位定義為：

式中：1．76為理想ADC的量化噪聲；

6．02為將log2轉(zhuǎn)化為log10的系數(shù)比。

示波器的有效位ENOB

ENOB參數(shù)被業(yè)界廣泛接受為是一種通用的判定A／D數(shù)模轉(zhuǎn)換、示波器系統(tǒng)或其它數(shù)字化系統(tǒng)性能優(yōu)劣的指標(biāo)。所有的數(shù)字化系統(tǒng)中都存在多種誤差，這些誤差會(huì)影響系統(tǒng)獲取的電壓與 “理想” 電壓存在偏差。對(duì)一個(gè)理想的示波器系統(tǒng)而言，在最大輸入帶寬范圍內(nèi)，系統(tǒng)有效位數(shù)應(yīng)和A／D的轉(zhuǎn)換分辨率相同。在現(xiàn)實(shí)中，所有的儀器都不可能是理想的，ENOB通常是低于其A／D轉(zhuǎn)換分辨率的。

由圖1數(shù)字示波器系統(tǒng)架構(gòu)圖可知，前端采集電路及ADC采樣電路對(duì)ENOB有較大影響。實(shí)際工作時(shí)，偏置誤差、非線性誤差、增益誤差、隨機(jī)噪聲以及ADC交織引起的噪聲都會(huì)影響ENOB。

圖3 示波器ENOB曲線

ENOB對(duì)實(shí)際信號(hào)測(cè)量的影響

圖4 兩臺(tái)示波器測(cè)量同一信號(hào)

示波器的ENOB指標(biāo)好，時(shí)間誤差、頻率雜散（通常由拼接誤差引起）都比較小，同時(shí)寬帶噪聲也比較低；

ENOB沒(méi)有考慮相位不一致和頻響失真等；

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。但事實(shí)上一般在示波器指標(biāo)手冊(cè)里都找不到相位和頻響曲線，同樣ENOB也沒(méi)有考慮頻響平坦度或相位的不一致性。圖4顯示了一個(gè)輸入信號(hào)在兩臺(tái)不同的示波器上的測(cè)量結(jié)果。兩臺(tái)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(shí)的輸入信號(hào)，而示波器2顯示的波形就失真比較大。

ENOB沒(méi)有考慮到示波器可能引入的偏置誤差。

兩臺(tái)有相同ENOB的示波器可能顯示的波形形狀完全一樣，但是絕對(duì)電壓偏置不一樣。對(duì)于這一點(diǎn)，測(cè)量示波器在不同偏置下的底噪聲或者評(píng)估直流增益指標(biāo)可以提供更好的評(píng)價(jià)方法。

示波器ENOB的測(cè)量

示波器ENOB的測(cè)量需要考慮以下幾點(diǎn)因素：

測(cè)試源的ENOB要比被測(cè)示波器的ENOB大；

被測(cè)信號(hào)是否充滿示波器量程會(huì)影響ENOB的測(cè)試結(jié)果；

被測(cè)信號(hào)頻率與示波器采樣率會(huì)影響ENOB的測(cè)試結(jié)果。這一點(diǎn)很重要，在實(shí)際測(cè)試中必須滿足以下條件。

式中：

n：質(zhì)數(shù)；

N：FFT的分析點(diǎn)數(shù)，此處取4096個(gè)點(diǎn)；

Fs：示波器采樣率；

Fin：被測(cè)信號(hào)頻率。

根據(jù)以上幾點(diǎn)，示波器ENOB的測(cè)量的大體思路和相關(guān)步驟如下：

1、示波器設(shè)置合適的垂直檔位、時(shí)基檔位、儲(chǔ)存深度和采樣率。采樣率可通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)基檔位和儲(chǔ)存深度改變。

圖5 示波器ENOB測(cè)試截圖

2、導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表．SCV文件。

圖6 示波器導(dǎo)出．SCV文件

3、利用EXCEL對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，并計(jì)算ENOB。

圖7 EXCEL處理數(shù)據(jù)求解ENOB

不同幅度和頻率被測(cè)信號(hào)的情況下，利用EXCEL處理數(shù)據(jù)求解示波器ENOB。結(jié)果如圖8所示，雖然ZDS2020B Plus采用8位ADC，由于被測(cè)信號(hào)幅度的影響，實(shí)際測(cè)量的ENOB是沒(méi)法達(dá)到理想狀態(tài)的。

圖8 示波器ENOB記錄表

總結(jié)

ENOB是衡量示波器ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)之一，但更高的ENOB并不是示波器能夠真實(shí)重現(xiàn)輸入信號(hào)的必要條件。這主要取決于測(cè)量什么信號(hào)，以及ENOB是否會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)以下幾點(diǎn)提高示波器的ENOB以獲得較高的測(cè)量精度：

示波器選擇帶寬限制濾波器，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；

在測(cè)量重復(fù)性的或低頻信號(hào)時(shí)，使用平均或高分辨率的采集模式，這樣可以減少寬帶噪聲，綜合使用這些模式可以有效進(jìn)行更高精度測(cè)量；

選擇合適的垂直量程，一般波形占屏80％～90％。