高分辨率示波器的一大優(yōu)勢是噪聲更低，測量精度更高，示波器系統(tǒng)的噪聲水平不是僅僅由一個高分辨率的ADC決定，更需要低噪聲的前端放大器，以及特殊設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，是一個完整的高分辨率系統(tǒng)，本文主要分析示波器中噪聲來源和量化方法。

  示波器最大垂直分辨率由采集系統(tǒng)中的單個器件決定 - ADC - 并且它具有量化噪聲和其他噪聲成分，可將噪聲引入測量并降低有效分辨率，其他器件以及集成器件的整體采集系統(tǒng)也會產(chǎn)生噪聲。

  然而，示波器中的主要噪聲源往往是前端放大器，這就是為什么高分辨率示波器具有專門設(shè)計(jì)的低噪聲前端放大器至關(guān)重要，示波器前端放大器通常由多級不同增益的放大器組成，因此會有運(yùn)行機(jī)制可以在寬范圍的輸入信號幅度下提供與信號大小相關(guān)的最小噪聲。

  圖1顯示了示波器通道中噪聲源的示例，用戶輸入信號VIN輸入到示波器，VIN在進(jìn)入示波器時本身有噪聲，前端放大器和ADC也會疊加噪聲到信號上。在這個例子中，每個ADC輸入驅(qū)動四個都會增加噪聲的內(nèi)部ADC，這主要是量化噪聲。意識到經(jīng)常被忽視的噪聲源 - 用戶信號上的噪聲 - 不能被消除是很重要的，因?yàn)槭静ㄆ鳠o法區(qū)分噪聲，對其而言，噪聲也是信號，示波器的功能是真實(shí)地再現(xiàn)信號，在前端放大器中加到信號上的噪聲引起了一個問題，即它與用戶輸入信號上的噪聲無法區(qū)分，并且對所有下游路徑都是同樣的。因此，必須盡可能減小前端噪聲- 后期處理技術(shù)不能濾除或消除前端噪聲。

圖1 – 示波器輸入信號路徑和噪聲源

  與其他所有器件一樣，ADC的工作是真實(shí)地數(shù)字化呈現(xiàn)給它的波形。 但是，交織單個或多個ADC芯片和交織多個片內(nèi)（內(nèi)部）ADC為進(jìn)一步降低噪聲提供了機(jī)會。

系統(tǒng)中每個噪聲源的重要參數(shù)：

•       噪聲的幅度

•       噪聲源之間的相關(guān)性

•       信號路徑中噪聲源的位置以及與系統(tǒng)中的其他路徑的共同程度

•       噪聲的頻譜特性

  隨后我們將討論如何用軟件后處理技術(shù)利用噪聲源的知識來提高有效分辨率，但是，一個簡單的事實(shí)仍然存在 - 在應(yīng)用軟件后處理技術(shù)之前，從低噪聲、高分辨率的硬件采集系統(tǒng)開始，在應(yīng)用軟件后處理技術(shù)后仍將獲得最佳的有效分辨率。有關(guān)可用于降低示波器噪聲的軟件后處理技術(shù)的其他詳細(xì)信息，請參見“了解示波器中的垂直分辨率”。

示波器本底噪聲，代表性信號和ENOB測量

  示波器完整系統(tǒng)的性能應(yīng)該是有興趣了解示波器噪聲水平的用戶的關(guān)注點(diǎn)，以及他們能否在廣告聲稱的帶寬和采樣率下獲得對應(yīng)的分辨率和噪聲性能。

本底噪聲

  簡單的本底噪聲測試是在示波器通道沒有輸入信號時提供的噪聲性能大致性的指標(biāo)，雖然這個測試簡單易行，但它不是示波器性能最真實(shí)可靠的測試，因?yàn)榇蠖鄶?shù)示波器在使用時，都會有輸入信號相連。盡管如此，添加輸入信號時噪聲不會降低，因?yàn)樵黾拥男盘柗戎粫院髮⒃肼曁砑拥皆肼暅y量中。 因此，本底噪聲對于粗略評估整體性能可能是一個有用的測試。

代表性信號

  基本的“標(biāo)準(zhǔn)”輸入信號可以揭示更多前端放大器和ADC的性能信息，階躍響應(yīng)和高速串行數(shù)據(jù)信號通常用于了解示波器系統(tǒng)的性能。

階躍響應(yīng)

  階躍響應(yīng)可以提供示波器在實(shí)際工作條件下信號質(zhì)量和完整性的有用信息，除了顯示實(shí)際噪聲性能外，示波器足夠帶寬的階躍響應(yīng)還將顯示前端放大器性能（上升時間，過沖，線性度等）。

高速NRZ串行數(shù)據(jù)信號

  NRZ串行數(shù)據(jù)信號通常在示波器中以眼圖的形式查看，眼圖僅僅對應(yīng)于NRZ串行數(shù)據(jù)信號的1和0轉(zhuǎn)變的一系列階躍響應(yīng)， 如果串行數(shù)據(jù)信號的速率足夠高，則階躍響應(yīng)上升時間將會很快，這是對示波器的階躍響應(yīng)和噪聲性能的直觀視覺測試。 因此，眼圖非常適用于評估示波器的整體噪聲和采樣時鐘質(zhì)量。

  高帶寬示波器利用軟件時鐘恢復(fù)和位分片算法來顯示沒有觸發(fā)抖動影響的眼圖，因此1和0轉(zhuǎn)換時間寬度僅取決于采樣時鐘抖動，這最大限度地減少了對觸發(fā)系統(tǒng)的依賴 - 具有低觸發(fā)抖動是一個重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛|發(fā)電路的隨機(jī)抖動可能比實(shí)際串行數(shù)據(jù)信號中的抖動對抖動計(jì)算的影響更大，眼圖中的1和0（頂部和底部）表示可以很好地指示NRZ信號的1和0電平的噪聲。

  抖動通過時間間隔誤差的計(jì)算來計(jì)算 - 測量周期與實(shí)際時鐘周期的偏差， 標(biāo)準(zhǔn)定義了從時間間隔誤差抖動的測量中計(jì)算隨機(jī)抖動（Rj）和確定性抖動（Dj），并隨后計(jì)算10e-12誤碼率的總抖動（Tj），如公式1：

 Tj=14?Rj+Dj

公式1-從Rj和Dj

因此，大的Rj將導(dǎo)致計(jì)算的Tj非常大，并且非常好（低抖動）的Rj性能在設(shè)計(jì)中也是非常珍貴的，因此，工程師需要使用給測量增加很少抖動的示波器。

示波器系統(tǒng)ENOB

 示波器ENOB可以從示波器SINAD的測量中推導(dǎo)出來。參考公式2：

示波器ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

公式2-從示波器SINAD中計(jì)算示波器ENOB

  如果前端放大器不是系統(tǒng)中的主要噪聲源，則系統(tǒng)ENOB將接近ADC的ENOB，理解ADC ENOB是系統(tǒng)ENOB的上限很重要，但是系統(tǒng)性能才是需要理解的關(guān)鍵性能，實(shí)際上，示波器（系統(tǒng)）ENOB將始終小于ADC ENOB。

公式2假定輸入信號是滿量程的，如果不是，則需要使用公式3：

ENOB= (SINAD-1.76+20 log?((FullScaleAmplitude)/(InputAmplitude)))/6.02

公式3-計(jì)算輸入信號幅度小于滿量程的示波器ENOB

  通常情況下，ENOB是在滿量程的90％處進(jìn)行測量并進(jìn)行調(diào)整的。但是，如果不對小于滿量程振幅的輸入信號進(jìn)行調(diào)整，則ENOB計(jì)算結(jié)果將低于其它情況。例如，如果一個系統(tǒng)使用90％滿量程幅度信號測得的SINAD為55 dB，根據(jù)公式3，ENOB計(jì)算為9，根據(jù)公式2，ENOB計(jì)算為8.84。因此，了解滿量程用于ENOB測量以及是否對幅度進(jìn)行了調(diào)整非常重要。

  從這個公式可以推導(dǎo)出每個有效位6 dB SINAD的“經(jīng)驗(yàn)法則”，因此，半個有效位的改進(jìn)相當(dāng)于噪聲減少3dB（30％）,并且1個有效位的改進(jìn)等同于噪聲減少6dB（50％），ENOB的微小差異意味著垂直（電壓振幅）噪聲很大。

  測量ENOB的要求是在IEEE-1057-2007“數(shù)字化波形記錄儀標(biāo)準(zhǔn)”中定義的，但是，這種測量方法不包括數(shù)字示波器中常用的多ADC導(dǎo)致的交織誤差。如果多個ADC不能匹配增益、延遲和偏移量，則它們會降低信號。另一種基于FFT的用于測量ENOB的方法“計(jì)算有效位數(shù)”包括噪聲和失真分量以及ADC交織誤差分量，請記住，在設(shè)計(jì)良好的示波器中，交織誤差分量很?。s為-47dB），并且通常不會影響ENOB，但其對低噪聲、高分辨率示波器的影響要高于傳統(tǒng)8位分辨率示波器，這些交織誤差可能是用IEEE-1057 ENOB規(guī)范標(biāo)定高分辨率示波器與真實(shí)世界信號上觀察到的實(shí)際系統(tǒng)噪聲性能不匹配的另一個原因。

  測量ENOB時，我們需要測量它相對頻率的函數(shù)，這是因?yàn)槭д娣至客ǔＪ穷l率的函數(shù)，而且當(dāng)采樣時鐘抖動很高時，SNR和SINAD也是頻率的函數(shù)。 當(dāng)出現(xiàn)抖動時，會增加相關(guān)頻率處的噪聲和失真，這可以在圖2中看到，請注意，與其他地方相比，輸入的6 GHz正弦波周圍的頻譜噪聲功率要高10dB（由于此特定示波器的采樣時鐘抖動很高），并且在高帶寬下的影響最大。

圖2- 某示波器6 GHz輸入正弦波的噪聲譜密度

圖3顯示了同一臺示波器對應(yīng)的SINAD（描述為SNR）與頻率的關(guān)系，SINAD在較高頻率下逐漸降低。

圖3-同一臺示波器的SINAD vs. frequency

圖4顯示對不同頻率純正弦輸入信號的影響，正如圖2所預(yù)期的那樣，隨著頻率的增加，輸入信號噪聲明顯變得更大。

圖4-某示波器noise vs. frequency

  頻率合成器被用于輸入示波器的正弦波發(fā)生器，大多數(shù)質(zhì)量好的商用頻率合成器的固有本底噪聲水平低于8位示波器采集系統(tǒng)。 但是，頻率合成器本身的本底噪聲可能不會低于更高分辨率的示波器采集系統(tǒng)，因此，在頻率合成器的輸出端使用帶通濾波器以消除諧波含量，并且輸出正弦波被進(jìn)一步衰減以減小發(fā)生器本底噪聲，如果在12位采集系統(tǒng)上測量ENOB時不采用這些步驟，則所做的ENOB測量將更多地反映所使用的信號源而非采集系統(tǒng)。

  ENOB規(guī)格可能被簡化為一個數(shù)字，但重要的是要了解這個數(shù)字是否僅代表單一頻率下最佳情況下的性能，還是代表廣泛頻率范圍內(nèi)的典型值。毫不奇怪，示波器制造商通常會一個最有利的ENOB數(shù)字代表性能，特別是如果他們使用的是較低分辨率的ADC或未針對高分辨率性能優(yōu)化的前端放大器。

  最后，無論分辨率如何，ENOB都會隨著帶寬的增加而下降，圖5顯示了8位、10位和12位分辨率示波器的典型ENOB值與示波器帶寬的關(guān)系， 還顯示ENOB趨勢線以供參考，表示外推到更高帶寬的ENOB線。

圖5-典型8、10和12-bit示波器ENOB VS 帶寬

  例如，2018年購買的典型的高質(zhì)量1 GHz示波器預(yù)計(jì)可能具有約6.5的ENOB（盡管ADCENOB可能約為7），十年以前，這個值會少0.5到1.0個比特 - 隨著技術(shù)的成熟，性能逐漸提高。