【導(dǎo)讀】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(xiàn)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(xiàn)
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(xiàn)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(xiàn)，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(mǎn)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(mǎn)足以下條件。（詳細(xì)點(diǎn)擊查看往期微信文章：《千萬(wàn)別錯(cuò)過(guò)！這些FFT干貨真的很受用》）
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。
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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%。
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