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2020年09月04日 | 示波器的有效位数对信号测量的影响
2020-09-04 来源：eefocus
衡量示波器测试系统质量的关键指标有很多，而“有效位数”对于了解整个测量系统至关重要。本文将讨论示波器有效位 ENOB，以及 ENOB 对实际信号测试的影响，并结合实际应用，给出 EXCEL 求解的方法。
1. 前言
图表 1 数字示波器系统结构图
由图表 1 数字示波器系统结构可知，信号通过探头系统进入示波器后，经过衰减器和前置放大器调理后进入 ADC。衰减电路和放大器通过继电器进行协同工作，在调整垂直分辨率时可快速切换使用。衡量 ADC 性能指标的参数有很多，比如采样率、DNL、INL、信噪比、有效位等。本文主要讨论 ADC 的有效位指标以及示波器系统的有效位。
2.ADC 有效位定义
图表 2 ADC 采集的正弦波频域分布
ADC 的有效位指标是对正弦波信号进行 FFT 频谱分析间接计算得到的。图表 2 是正弦波经过 AD 采样再经过 FFT 变换得到的频域分布图，除了主要的正弦波分量外还存在很多噪声、谐波和杂散信号。
ADC 的有效位定义为
式中：1.76 为理想 ADC 的量化噪声；6.02 为将 log2 转化为 log10 的系数比。
3. 示波器的有效位 ENOB
ENOB 参数被业界广泛接受为是一种通用的判定 A/D 数模转换、示波器系统或其它数字化系统性能优劣的指标。所有的数字化系统中都存在多种误差，这些误差会影响系统获取的电压与 “理想” 电压存在偏差。对一个理想的示波器系统而言，在最大输入带宽范围内，系统有效位数应和 A/D 的转换分辨率相同。在现实中，所有的仪器都不可能是理想的，ENOB 通常是低于其 A/D 转换分辨率的。
由图表 1 数字示波器系统架构图可知，前端采集电路及 ADC 采样电路对 ENOB 有较大影响。实际工作时，偏置误差、非线性误差、增益误差、随机噪声以及 ADC 交织引起的噪声都会影响 ENOB。
图表 3 示波器 ENOB 曲线
4.ENOB 对实际信号测量的影响
图表 4 两台示波器测量同一信号
示波器的 ENOB 指标好，时间误差、频率杂散（通常由拼接误差引起）都比较小，同时宽带噪声也比较低；
ENOB 没有考虑相位不一致和频响失真等；
理想情况下所有示波器都具有平坦的相位和频响曲线以及相同的滚降方式。但事实上一般在示波器指标手册里都找不到相位和频响曲线，同样 ENOB 也没有考虑频响平坦度或相位的不一致性。图表 4 显示了一个输入信号在两台不同的示波器上的测量结果。两台示波器的 ENOB 是相同的，但示波器 1 显示的波形更加接近真实的输入信号，而示波器 2 显示的波形就失真比较大。
ENOB 没有考虑到示波器可能引入的偏置误差；
两台有相同 ENOB 的示波器可能显示的波形形状完全一样，但是绝对电压偏置不一样。对于这一点，测量示波器在不同偏置下的底噪声或者评估直流增益指标可以提供更好的评价方法。
5. 示波器 ENOB 的测量
示波器 ENOB 的测量需要考虑以下几点因素：
1)测试源的 ENOB 要比被测示波器的 ENOB 大。
2)被测信号是否充满示波器量程会影响 ENOB 的测试结果。
3)被测信号频率与示波器采样率会影响 ENOB 的测试结果。这一点很重要，在实际测试中必须满足以下条件。（详细可在“ZLG 立功科技 - 致远电子”微信公众号文章搜索‘千万别错过！这些 FFT 干货真的很受用’）
式中：
n：质数；
N：FFT 的分析点数，此处取 4096 个点；
Fs：示波器采样率；
Fin：被测信号频率。
根据以上几点，示波器 ENOB 的测量的大体思路和相关步骤如下：
1)示波器设置合适的垂直档位、时基档位、储存深度和采样率。采样率可通过调节时基档位和储存深度改变；
图表 5 示波器 ENOB 测试截图
2)导出数据报表 .SCV 文件；
图表 6 示波器导出 .SCV 文件
3)利用 EXCEL 对数据进行傅里叶变换，并计算 ENOB。
（EXCEL 模板百度云链接：https://pan.baidu.com/s/1ciUuB3oKfco-10QkR4o3TA 提取码: x8i5）
图表 7EXCEL 处理数据求解 ENOB
不同幅度和频率被测信号的情况下，利用 EXCEL 处理数据求解示波器 ENOB。结果如图表 8 所示，虽然 ZDS2020B Plus 采用 8 位 ADC，由于被测信号幅度的影响，实际测量的 ENOB 是没法达到理想状态的；
图表 8 示波器 ENOB 记录表
ENOB 是衡量示波器 ADC 数模转换性能的指标之一，但更高的 ENOB 并不是示波器能够真实重现输入信号的必要条件。这主要取决于测量什么信号，以及 ENOB 是否会影响到测量结果。在实际应用中，可以通过以下几点提高示波器的 ENOB 以获得较高的测量精度。
示波器选择带宽限制滤波器，这样可以抑制交织误差和噪声等高频分量，从而获得更高的 ENOB。
在测量重复性的或低频信号时，使用平均或高分辨率的采集模式，这样可以减少宽带噪声。综合使用这些模式可以有效进行更高精度测量。
选择合适的垂直量程，一般波形占屏 80%~90%。
史海拾趣
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