摘要:平時(shí)我們都關(guān)注示波器的三大核心指標(biāo):帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度,但是除了三大技術(shù)指標(biāo),還有底噪、非線性度、偏置誤差等,上述指標(biāo)決定了能否實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量,那究竟這些指標(biāo)的高低由誰(shuí)來(lái)決定呢?
當(dāng)選用示波器進(jìn)行測(cè)量時(shí),除了關(guān)注核心指標(biāo),示波器測(cè)試系統(tǒng)的質(zhì)量也是極為重要的,底噪、非線性度、偏置誤差等決定了是否可以進(jìn)行更好的測(cè)量,而這些指標(biāo)主要由示波器的ADC性能決定,這就要引入一個(gè)概念:等效位數(shù)(ENOB,effective number of bits)。
1.ENOB是什么
ENOB(等效位數(shù))是一個(gè)極為綜合的指標(biāo),在一定程度上涵蓋了數(shù)字示波器的多種誤差,例如偏置誤差、增益誤差、非線性度、噪聲等等。
在介紹ENOB之前,先介紹下SINAD,即為信號(hào)-噪聲及失真比,SINAD=S/(N+D),其中S是信號(hào)功率、N是噪聲功率、D是失真功率,也就是說(shuō),SINAD與信號(hào)功率呈正比,與噪聲及失真功率呈反比,所以提高SINAD的方法有:降低噪聲、提高信號(hào)的純度(減小信號(hào)的畸變)。
ENOB=(SINAD-1.76dB)/6.02,其中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。很明顯,SINAD越大,ENOB越大,而提升SINAD的方法就是重點(diǎn)關(guān)注與測(cè)試精度有關(guān)的電路。
在數(shù)字示波器的架構(gòu)中,與測(cè)試精度有關(guān)的電路有:前端采集電路、ADC采樣電路。被測(cè)信號(hào)經(jīng)前端采集電路進(jìn)行調(diào)理后傳輸給ADC進(jìn)行采樣。其中前端采集電路及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,甚至還有 ADC 交織引起的噪聲都會(huì)增大ENOB。
2.ENOB說(shuō)明了什么
ENOB是衡量ADC性能的標(biāo)尺,若示波器ENOB指標(biāo)好,那么偏置誤差、增益誤差、非線性度等都較小,同時(shí)帶寬噪聲也較低。如果主要被測(cè)信號(hào)是正弦波信號(hào),那么ENOB就需要重點(diǎn)關(guān)注。
通常示波器都由前端電路衰減器、放大器等信號(hào)調(diào)理電路、ADC采樣電路組成,在設(shè)計(jì)的時(shí)候,會(huì)在前端采用各種射頻技術(shù),各種頻率響應(yīng)方式,實(shí)現(xiàn)最好的頻響平坦度,以便ADC采樣時(shí)失真最小,增大ENOB指標(biāo)。
3.如何判斷ENOB的大小
3.11.底噪
示波器在不同垂直檔位及偏置下的底噪大小是評(píng)估示波器測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù),通過(guò)觀測(cè)底噪大小,可以判斷前端采集電路和ADC采樣電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,因?yàn)槭静ㄆ鞯牡自霑?huì)增加額外的抖動(dòng)并較小設(shè)計(jì)裕量,對(duì)測(cè)試結(jié)果造成較大的影響。
一般情況下,帶寬越大、底噪越大,因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)進(jìn)入示波器內(nèi),最直接評(píng)估示波器底噪的方法便是輸入通道不接入任何信號(hào),測(cè)量在不同量程和偏置下的電壓有效值。
下圖為ZDS2022底噪實(shí)測(cè)圖。
圖1 底噪實(shí)測(cè)圖
3.22.信噪比
除此之外,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行FFT變換,通過(guò)觀測(cè)信噪比(SNR)的大小也是評(píng)判ENOB的常用方法。下圖為對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行FFT變換,頻譜圖的左上角顯示的參數(shù)中有SNR(SNR與SINAD呈正相關(guān)),通過(guò)觀測(cè)SNR的大小也可對(duì)ENOB進(jìn)行評(píng)估。
圖2 觀察FFT變換后的SNR大小
4.ENOB對(duì)于選擇示波器有多重要?
這主要取決于被測(cè)信號(hào)的類型以及對(duì)于測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的要求。ENOB曲線應(yīng)該和底噪聲一起考慮。
ENOB 對(duì)于測(cè)試小信號(hào),尤其是高速數(shù)字接口或頻域信號(hào)分析,直接影響動(dòng)態(tài)范圍,可見 ENOB是很重要的一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)。尤其當(dāng)被測(cè)信號(hào)主要為正弦波,如一些軍事應(yīng)用中那樣,ENOB可能是一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)。
5.總結(jié)
ENOB是衡量示波器調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)性能的綜合指標(biāo),ENOB越大,示波器數(shù)據(jù)采樣的精度就越高,示波器底噪、產(chǎn)生的各類誤差越小。
下表為ZDS2022與同行其他廠家底噪對(duì)比表,通過(guò)對(duì)比表我們不難發(fā)現(xiàn),在相同參數(shù)情況下,ZDS2022的底噪更小,可以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的測(cè)量!
表1 示波器底噪對(duì)比表