示波器不可忽略的一個重要參數(shù)

所有示波器在模擬通道與數(shù)字轉(zhuǎn)換過程中都會產(chǎn)生垂直噪聲，這是不可避免的。很多用戶在購買示波器時都忽略了這一重要參數(shù)，甚至示波器廠商也都刻意回避這個指標(biāo)，數(shù)據(jù)手冊中很少有明確標(biāo)明。這里將詳細分析了垂直噪聲的由來并比較了各主流廠商不同型號示波器的底噪特性。

垂直噪聲從哪里來?

示波器的垂直噪聲主要來自兩個方面：

1)模擬前端電路的噪聲：包括衰減電路的噪聲、緩沖電路的噪聲、放大器的噪聲以及電源的噪聲。

因為隨機噪聲的無界性、隨機性，帶寬越高，噪聲頻譜越寬，模擬前端電路的噪聲越大。示波器的基線本底噪聲主要由這部分決定，這也是評價模擬前端設(shè)計好壞的重要指標(biāo)。

2)模擬信號數(shù)字化過程產(chǎn)生的噪聲：主要是ADC的量化噪聲。

關(guān)于ADC的量化噪聲，貝爾實驗室的W. R. Bennett 1948年發(fā)表的經(jīng)典論文中有一條很有名的公式可以表征：

以ZDS2022中使用的ADC為例，它的分辨率為8bit，采樣率為1GSa/s，帶寬為 200MHz，計算可得ADC量化過程的信噪比為53.9dB。所以在最小垂直檔位2mV/div下的量化噪聲有效值為14uVrms，基本可以忽略不計，在該檔位下噪聲主要來自模擬前端。測量10mVpp的方波，波形跡線會變粗，測量誤差主要來自模擬前端的本底噪聲。

圖 1 2mV/div檔位下測試10mVpp的方波峰峰值誤差

但是當(dāng)垂直檔位越大，量化噪聲逐漸占主導(dǎo)地位，而模擬前端噪聲雖然會隨著放大器的增益變化產(chǎn)生微小的改變，但是仍然在2mV以下。

示波器通常為了防止ADC超出限制，留了±1div的裕量，實際垂直幅度范圍為10div，所以在 1V/div檔位下ADC的1LSB為40mV左右，按照最大量化誤差±0.5LSB計算，ZDS2022在該檔位下的量化噪聲為40mVpp。測量幅度為5Vpp的方波信號，測量誤差主要來自量化噪聲。

圖 2 1V/div檔位測試5Vpp方波信號的峰峰值誤差

垂直噪聲會帶來什么影響?

示波器垂直噪聲會從很多方面影響信號的精確測量，它會：

1)引入幅度測量誤差;

2)引入sin(x)/x波形重建不確定度;

3)在進行小信號測量時會導(dǎo)致觸發(fā)抖動，無法穩(wěn)定波形，這時必須設(shè)置觸發(fā)耦合為高頻抑制，并適當(dāng)增大觸發(fā)靈敏度。

4)產(chǎn)生顯示不良的“胖波形”。

如何評估示波器的底噪?

既然底噪如此重要，要怎么評估一臺示波器的底噪呢?通常認為示波器的基線本底噪聲是示波器垂直檔位置于靈敏度最高條件下測得的。但是市面上很多示波器在最高靈敏度檔位下，由于放大器增益大于40dB，帶寬通常會有所降低。所以要比較不同示波器的底噪，應(yīng)該把相同帶寬特征的示波器放在一起，對比他們在全帶寬條件下最高靈敏度檔位的基線本底噪聲。

因為噪聲服從高斯分布，存在隨機性、無界性，噪聲測量中收集的數(shù)據(jù)越多，得到的噪聲峰峰值偏移更高，基于這一原因像垂直噪聲和隨機抖動這類隨機現(xiàn)象應(yīng)使用RMS(均方根)值來進行定義和測量。

為了比較各公司不同型號示波器的基線本底噪聲，需要將它們各種設(shè)置置于盡量接近的條件，步驟如下：

1)打開通道1，設(shè)置為直流耦合，輸入阻抗設(shè)置為1MΩ，關(guān)閉帶寬限制，置于2mV/div垂直檔位;

2)斷開探頭的連接，將輸入端口接地，并遠離可能耦合進來的噪聲源;

3)將時基檔位設(shè)置為20ns/div，存儲深度盡量選擇接近的值;

4)正確設(shè)置觸發(fā)通道與觸發(fā)電平;

5)關(guān)閉其他通道(某些型號示波器由于多通道共用單片ADC、存儲芯片，在開啟多個通道時會降低采樣率、存儲深度等參數(shù))。

6)打開示波器的測量功能，選擇電壓有效值(RMS-AC)測量;

7)為了對比更明顯，設(shè)置余輝時間為10s。

下圖分別是ZDS2022、T公司的MDO3054(為了帶寬一致，已開啟250MHz帶寬限制)、A公司的MSO-X 3012A測試的基線本底噪聲結(jié)果。

圖 3 ZDS2022底噪測試