2021年03月31日 | 为什么要关注示波器 ADC 位数或者是 ENOB？- 了解信号的完整性

示波器ADC 位数与有效位数

示波器中的模数转换器（ADC）位数是最广为人知的技术指标之一。许多工程师将它视为决定示波器质量的唯一技术指标。但是，他们往往过于夸大ADC位数的重要性，而忽视了信号完整性的其他关键指标。 与 ADC 位数同样重要的是系统的有效位数（系统 ENOB）。系统 ENOB 是进行测量时的实际有效位数。在任意示波器中，有些 ADC 位是没有意义的，它们只 能在噪声中工作。因此，决定示波器测量质量的是 ENOB 而不是 ADC 位数。如果测量质量太差，那么得到的结果是不准确的，而且无法复现。这样可能会导致您在设计中采取错误的假设。

ENOB 能够更好地指示信号完整性，因为它将系统误差也考虑在内。

许多工程师没有听说过系统 ENOB。示波器厂商通常不会提到这个技术指标，因为打造高 ENOB 设计不像创造一台高位数 ADC 那么简单。ADC 周围的前端和支持电路设计也必须达到高质量，这不是一项简单的任务。

厂商们自然更愿意宣传那些看起来最好的技术指标。因此，高 ADC 技术指标很重要。 但是，您一定要重视信号完整性的其他要素。ADC 只是整个系统的一部分。

为什么要关注 ADC 位数或者是 ENOB？

由于量化级数（即 Q 级数）的存在，ADC 的位数很关键。位数越高，Q 等级就能越 高。Q 等级越高，精度就越高，因为示波器可以捕获并显示更多的真实信号细节。

当 ADC 将模拟信号转换为数字信号时，它只能在特定电平上进行转换。以图 1 为例， 这是一个 2 位 ADC 的示意图。您有 2^2 = 4 个电平来数字化表示这个信号：11、 10、01 和 00。

图 1. 2 位 ADC 的数字化级数显示

现在，我们再用一个 3 位 ADC 来比较。它提供了 2^3 （8 个）电平需要示波器处理。 如果同时使用 2 位 ADC 和 3 位 ADC 测量同一个信号，那么可以看到 3 位 ADC 提 供了的细节更多（图 2）。示波器可以转换原始模拟信号的更多细节，当在屏幕上以数 字方式重建并显示信号时，可以显示更多的信号细节。

图 2. 3 位 ADC 的数字化级数显示

对于像 Keysight Infiniium S 系列这样的高性能示波器 （原安捷伦示波器），10 位 ADC 应该可以实现 1024 个 Q 等级的高精度。但是请注意，精度还取决于示波器其他部分的设计。

测量系统的其他部分使得有效位数（ENOB）与 ADC 位数技术指标差别很大。S 系列使用 10 位 ADC。图 3 所示为 ENOB 数据，平均值约为 8 位。为什么我们的 ADC 是 10 位，而 ENOB 只有 8 位？

图 3. S 系列 DSOS104A 1 GHz 实时示波器从 100 MHz 到 1 GHz 的 ENOB 平均为 8 位左右，这确保您始终可以获得极高的信号完整性。

以 1.8 Vpp 信号为例。要测量该信号的话，垂直刻度应当设置为大约 2 V 满屏。使用 10 位 ADC 的话，理论上您可以达到每个数字化电平 1.95 mV 的灵敏度。换句话说，您的垂直分辨率应当达到 1.95 mV。

然而，由于测量系统中还有其他组件，并非全部 10 个 ADC 位都可真正用于测量。噪声和失真是影响有效位数的主要因素。如果示波器的随机噪声大于每个数字化电平 — 在此例中就是高于 1.95 mV — 那么示波器就无法分辨噪声与实际信号。这基本上会使得该 Q 电平不适用，因此适用的 Q 电平数量会减少，结果当您执行测量时有效位数会 下降。

我们没有办法构建一台不含噪声的示波器。这是不可能实现的目标。示波器始终都会有一定噪声，而这个噪声始终会影响到位数。因此我们要看的是有效位数而不仅仅是 ADC 位数。同时考虑这两个技术指标能让您更好地了解仪器的整体测量质量。

这意味着我们还必须对示波器的基线噪声进行分析，确保它也很低。但是请注意，除了噪声之外，还有其他因素会影响 ENOB。虽然噪声是影响低 ENOB 技术指标的最大因素，但系统中的其他失真也会给它带来影响。

另外还请记住，ENOB 技术指标没有将频率响应、增益精度或偏置精度等其他方面的误差考虑在内。因此您必须单独分析这些影响因素，以便全面了解示波器的精度。

图 4. S 系列示波器在 1 mV/格标度和 1 GHz 带宽下只能测量 90 uV 的噪声。

系统 ENOB 与 ADC ENOB

另一个重要而细微的区别是系统 ENOB 和 ADC ENOB 之间的区别。由于系统 ENOB 通常不引人瞩目，所以某些厂商会将 ADC ENOB 列在技术资料上。有些人看到“ENOB”就想当然地认为它就是自己需要的技术指标。然而事实上却不是这样。

图 5. 示波器从探头到 ADC 的信号路径。

ADC ENOB 指的是 ADC 的有效位数，并且仅仅是针对 ADC。而我们都知道，示波器不仅仅包含 ADC。测量系统中还有其他同样重要的元器件，比如探测解决方案。 ADC ENOB 不能代表整个示波器测量系统使用的位数，而后者才是对测量非常关键的参数。系统 ENOB 是显示和测量信号时传达信息的位数。

如果您看到系统 ENOB 是一个数值的话，请注意这是一个平均值。在索取这一数据时，最好是要到一个图形，其中包含根据示波器带宽范围内的各个频率绘制的一系列数据，如图 3 所示。您可以据此确定示波器在整个带宽范围内具有足够的 ENOB。

您也可以使用 PSG 和 MATLAB 脚本来测量示波器的系统 ENOB。但是，您最好与是德科技工程师一起根据您的特定示波器型号和带宽来定制测量脚本。

总结

原则：不要仅根据 ADC 技术指标就做出采购决策。ADC 位数很重要，因为它意味着数字化测量更多。但是，如果示波器的其他部分设计不正确的话，ADC 位数再高也没用。

在设计示波器时，想要让精度达到您和客户的需求，必须深入了解 ENOB 及其对测量的意义。高 ENOB 可以提供更准确的波形、更精确且可重复的测量，以及更宽的眼图和更少的抖动。

通常，只要选择 ENOB 高的示波器，您就能获得更好的信号完整性。但是，请务必将其他重要的技术指标也考虑在内，例如基线噪声和偏置精度。