ENOB也會(huì)影響示波器測試結(jié)果

摘要：平時(shí)我們都關(guān)注示波器的三大核心指標(biāo)：帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度，但是除了三大技術(shù)指標(biāo)，還有底噪、非線性度、偏置誤差等，上述指標(biāo)決定了能否實(shí)現(xiàn)更精確的測量，那究竟這些指標(biāo)的高低由誰來決定呢?

當(dāng)選用示波器進(jìn)行測量時(shí)，除了關(guān)注核心指標(biāo)，示波器測試系統(tǒng)的質(zhì)量也是極為重要的，底噪、非線性度、偏置誤差等決定了是否可以進(jìn)行更好的測量，而這些指標(biāo)主要由示波器的ADC性能決定，這就要引入一個(gè)概念：等效位數(shù)(ENOB，effective number of bits)。

1. ENOB是什么

ENOB(等效位數(shù))是一個(gè)極為綜合的指標(biāo)，在一定程度上涵蓋了數(shù)字示波器的多種誤差，例如偏置誤差、增益誤差、非線性度、噪聲等等。

在介紹ENOB之前，先介紹下SINAD，即為信號-噪聲及失真比，SINAD=S/(N+D)，其中S是信號功率、N是噪聲功率、D是失真功率，也就是說，SINAD與信號功率呈正比，與噪聲及失真功率呈反比，所以提高SINAD的方法有：降低噪聲、提高信號的純度(減小信號的畸變)。

ENOB=(SINAD-1.76dB)/6.02，其中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。很明顯，SINAD越大，ENOB越大，而提升SINAD的方法就是重點(diǎn)關(guān)注與測試精度有關(guān)的電路。

在數(shù)字示波器的架構(gòu)中，與測試精度有關(guān)的電路有：前端采集電路、ADC采樣電路。被測信號經(jīng)前端采集電路進(jìn)行調(diào)理后傳輸給ADC進(jìn)行采樣。其中前端采集電路及ADC采樣電路對ENOB有較大影響，實(shí)際工作時(shí)，偏置誤差， 非線性誤差，增益誤差，隨機(jī)噪聲，甚至還有 ADC 交織引起的噪聲都會(huì)增大ENOB。

2. ENOB說明了什么

ENOB是衡量ADC性能的標(biāo)尺，若示波器ENOB指標(biāo)好，那么偏置誤差、增益誤差、非線性度等都較小，同時(shí)帶寬噪聲也較低。如果主要被測信號是正弦波信號，那么ENOB就需要重點(diǎn)關(guān)注。

通常示波器都由前端電路衰減器、放大器等信號調(diào)理電路、ADC采樣電路組成，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)在前端采用各種射頻技術(shù)，各種頻率響應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)最好的頻響平坦度，以便ADC采樣時(shí)失真最小，增大ENOB指標(biāo)。

3. 如何判斷ENOB的大小

3.1 1.底噪

示波器在不同垂直檔位及偏置下的底噪大小是評估示波器測量質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù)，通過觀測底噪大小，可以判斷前端采集電路和ADC采樣電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡自霑?huì)增加額外的抖動(dòng)并較小設(shè)計(jì)裕量，對測試結(jié)果造成較大的影響。

一般情況下，帶寬越大、底噪越大，因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)進(jìn)入示波器內(nèi)，最直接評估示波器底噪的方法便是輸入通道不接入任何信號，測量在不同量程和偏置下的電壓有效值。

下圖為ZDS2022底噪實(shí)測圖。

圖1 底噪實(shí)測圖

3.2 2.信噪比

除此之外，對標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行FFT變換，通過觀測信噪比(SNR)的大小也是評判ENOB的常用方法。下圖為對正弦波信號進(jìn)行FFT變換，頻譜圖的左上角顯示的參數(shù)中有SNR(SNR與SINAD呈正相關(guān))，通過觀測SNR的大小也可對ENOB進(jìn)行評估。

圖2 觀察FFT變換后的SNR大小

4. ENOB對于選擇示波器有多重要?

這主要取決于被測信號的類型以及對于測試結(jié)果準(zhǔn)確性的要求。ENOB曲線應(yīng)該和底噪聲一起考慮。

ENOB 對于測試小信號，尤其是高速數(shù)字接口或頻域信號分析，直接影響動(dòng)態(tài)范圍，可見 ENOB是很重要的一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)。尤其當(dāng)被測信號主要為正弦波，如一些軍事應(yīng)用中那樣，ENOB可能是一個(gè)很好的標(biāo)準(zhǔn)。

5. 總結(jié)

ENOB是衡量示波器調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)性能的綜合指標(biāo)，ENOB越大，示波器數(shù)據(jù)采樣的精度就越高，示波器底噪、產(chǎn)生的各類誤差越小。

下表為ZDS2022與同行其他廠家底噪對比表，通過對比表我們不難發(fā)現(xiàn)，在相同參數(shù)情況下，ZDS2022的底噪更小，可以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的測量!

表1 示波器底噪對比表