當(dāng)示波器用戶選擇示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量時(shí)，了解示波器測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量是極為重要的。盡管基于一些關(guān)鍵指標(biāo)如帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度等可以進(jìn)行一些zui基本的比較，但僅僅這些指標(biāo)并不能充分描述示波器的測(cè)量質(zhì)量。經(jīng)驗(yàn)豐富的示波器使用者還會(huì)比較示波器的波形捕獲率、本底抖動(dòng)、底噪聲，這些指標(biāo)可以保證進(jìn)行更好的測(cè)量。對(duì)于GHz級(jí)帶寬的示波器來說，會(huì)引入另一個(gè)ENOB（effectivenumber of bits,即等效位數(shù)）的指標(biāo)，來描述示波器里使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能。ENOB指標(biāo)的提出是因?yàn)楫?dāng)高速ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于噪聲和失真的影響，實(shí)際ADC的信噪失真比達(dá)不達(dá)其標(biāo)稱位數(shù)應(yīng)達(dá)到的理想性能，比如很多通信中使用的12bit的ADC在實(shí)際工作環(huán)境中有效位數(shù)只有10bit左右。

　　那么，當(dāng)選擇示波器時(shí)，ENOB到底重要嗎?ENOB能有效預(yù)測(cè)示波器的測(cè)量精度嗎?

　　在數(shù)字示波器的架構(gòu)中，和測(cè)量精度有關(guān)的電路包括示波器的前端電路和采用的ADC技術(shù)。示波器的前端電路對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以便后面的ADC可以正確進(jìn)行采樣和數(shù)字化。前端電路包括衰減器、放大器和信號(hào)分配路徑。

　　示波器的設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量精力設(shè)計(jì)前端電路以獲得平坦的頻率響應(yīng)、低的噪聲以及期望的頻響曲線。由于示波器對(duì)于ADC有特殊要求，所以示波器廠商一般都自己設(shè)計(jì)ADC芯片。開發(fā)新的前端和ADC需要大量投入，因此設(shè)計(jì)出來的ADC通常會(huì)用于多個(gè)示波器系列或多代示波器中。示波器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)盡量使這些電路對(duì)被測(cè)信號(hào)的失真盡可能小，以獲得的測(cè)量精度。

　　對(duì)于使用者來說，用戶可以衡量前端電路和ADC組合在一起后的指標(biāo)，但是不太容易對(duì)各部分指標(biāo)單獨(dú)衡量。有很多方法可以測(cè)量示波器前端電路質(zhì)量，示波器廠商通常使用底噪聲和ENOB指標(biāo)來評(píng)估示波器的前端和ADC電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，但很多時(shí)候綜合考慮示波器的性能比單獨(dú)評(píng)估ENOB或底噪聲更加有用。

　　示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪聲是評(píng)估示波器測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)很好依據(jù)，這些測(cè)量結(jié)果可以告訴用戶示波器的前端和ADC電路設(shè)計(jì)得有多純凈，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡自肼晻?huì)增加額外的抖動(dòng)并減小設(shè)計(jì)裕量。一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)進(jìn)入高帶寬示波器內(nèi)，但對(duì)于低帶寬示波器來說，這些高頻噪聲則會(huì)被其過濾掉。zui直接的評(píng)估示波器底噪聲的方法就是輸入通道不接任何東西，然后測(cè)量示波器在不同量程和偏置情況下電壓的RMS值。

　　IEEE定義了一種用ENOB評(píng)估ADC質(zhì)量的方法?，F(xiàn)在的數(shù)字示波器主要使用2種ADC技術(shù)：流水線型或Flash型。流水線型ADC使用2級(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換以獲得更高的轉(zhuǎn)換速率，比如Agilent的90000A系列示波器使用的20G/s采樣率的ADC,其內(nèi)部是由80個(gè)256M/s采樣率的ADC組成以獲得更高的采樣率。有趣的是，和常識(shí)相反，一些示波器在不使用zui高采樣率時(shí)可以提供更高的測(cè)量精度。這是由于有些示波器為了獲得高采樣率可能需要多片ADC進(jìn)行拼接，這會(huì)造成額外的拼接誤差從而造成信號(hào)失真，并且還會(huì)增加額外的高頻噪聲。FLASH型的ADC用一組比較器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行并行采樣，每個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一段電壓范圍。比較器的結(jié)果輸出送給邏輯解碼電路，每段輸入電壓范圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)解碼的輸出結(jié)果。無論使用哪種ADC技術(shù)都有其局限性，比如Flash型的ADC的線性誤差差一些，而流水線型ADC可能會(huì)有更多拼接帶來的誤差。IEEE建立了ENOB的標(biāo)準(zhǔn)用于幫助用戶評(píng)估不同ADC的好壞。

　　示波器廠商會(huì)對(duì)其使用的分立的ADC芯片做內(nèi)部評(píng)測(cè)，同時(shí)也會(huì)評(píng)測(cè)整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB,整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB會(huì)比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC僅為示波器系統(tǒng)的一部分，不能獨(dú)立使用，因此整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)才有意義。

　　用戶通常沒有充分使用示波器的ADC的8bit分辨率。比如要充分利用8bit的垂直量程范圍，用戶需要放大波形以充滿示波器的垂直量程范圍，但這會(huì)造成觀察信號(hào)更加困難，并且有可能會(huì)造成ADC的飽和等不必要的影響。因此，如果用戶只使用了滿量程的一半，對(duì)于8bit的ADC來說，實(shí)際使用的ADC的位數(shù)就只有7bit。除此以外，前端噪聲、諧波失真、交織造成的失真也都會(huì)減小示波器的有效位數(shù)。

　　ENOB的值和頻率有關(guān)，且每款示波器都有自己的ENOB曲線。ENOB曲線是針對(duì)整個(gè)示波器系統(tǒng)的而不僅是其8bit的ADC芯片。

什么是ENOB?ENOB是怎么測(cè)量的?

　　ENOB 是用一個(gè)固定幅度的正弦波信號(hào)進(jìn)行掃頻，在不同頻率下對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估。分析的方法可分為時(shí)域和頻域的。時(shí)域的評(píng)估方法是把采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)和一個(gè)據(jù)此的擬和出的理想波形相減，相減的結(jié)果就是噪聲。噪聲可能來自于示波器的前端，比如不同頻率下相位的非線性和幅度變化，還有可能來自于ADC拼接造成的失真。頻域的評(píng)估方法是對(duì)信號(hào)做FFT變換，然后把主信號(hào)功率和帶寬內(nèi)的其它噪聲和失真功率相減。用時(shí)域和頻域方法得到的結(jié)果是一樣的。

　　如果您想進(jìn)行ENOB測(cè)量，或者分析您的示波器廠商提供的ENOB指標(biāo)，需要考慮以下因素。進(jìn)行ENOB測(cè)量時(shí)使用的正弦波信號(hào)源的純度會(huì)影響ENOB的結(jié)果。首先，信號(hào)源和配合使用的濾波器需要保證測(cè)量源的ENOB比被測(cè)示波器的ENOB要大。其次，ENOB的測(cè)量結(jié)果和被測(cè)信號(hào)是否充滿示波器滿量程有關(guān)，被測(cè)信號(hào)充滿示波器屏幕滿量程的75%和90%得到得ENOB的結(jié)果是不一樣的。任何有效bit的的比較或測(cè)量都需要考慮被測(cè)信號(hào)的頻率和幅度的影響。

　　ENOB能說明什么?

　　ENOB 可以用來衡量示波器ADC的質(zhì)量。如果示波器的ENOB指標(biāo)好，它的時(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。如果您的應(yīng)用主要和正弦波相關(guān)，ENOB是進(jìn)行示波器選擇的很有用的指標(biāo)。

　　ENOB不能說明什么?

　　盡管ENOB是測(cè)量ADC和前端好壞的一個(gè)方法，但是它忽略了其它幾個(gè)屬性。ENOB沒有考慮偏置誤差、相位不一致以及頻響失真等。圖2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。
　　
　　圖2 盡管ENOB提供了一種評(píng)估示波器的基本方法，它并沒有考慮到幅相平坦度的影響。

　　圖中示波器1和2有相同ENOB,但示波器2有偏置誤差和相位失真，因此不能真實(shí)還原輸入信號(hào)。
　　ENOB沒有考慮到示波器可能引入的偏置誤差，兩臺(tái)有相同ENOB的示波器有可能顯示的波形形狀*一樣但是電壓偏置不一樣。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。

　　理想情況下所有示波器都具平坦的相位和頻響曲線以及相同的滾降方式，但事實(shí)上一般在示波器廠商的指標(biāo)手冊(cè)里都找不到相位和頻響曲線，同樣ENOB也沒有考慮頻響平坦度或相位的不一致性。事實(shí)上，不同示波器型號(hào)的頻響和相位不一致性是不一樣的。比如用兩臺(tái)同樣標(biāo)稱6GHz帶寬的示波器測(cè)量2.1GHz的正弦波時(shí)可能會(huì)得到不同的波形。一臺(tái)示波器可能頻響曲線滾降比較慢并且只進(jìn)行很小的相位修正，另一臺(tái)示波器的頻響曲線則可能在滾降前在6GHz以上有一個(gè)峰并使用了大量相位校正算法。示波器有更高的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。

　　怎樣增加我示波器的ENOB?

　　明顯的答案是先購買一個(gè)有更高ENOB的示波器。如果被問到，示波器廠商可能會(huì)提供每個(gè)示波器型號(hào)的ENOB值。很多高帶寬示波器都提供有用戶可選的帶寬限制濾波器，打開濾波器可以限制示波器的帶寬，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.除此以外，示波器還可以對(duì)重復(fù)性的或低頻信號(hào)使用平均或高分辨率的采集模式以減少寬帶噪聲。綜合使用這些模式可以有效進(jìn)行更高精度測(cè)量。

　　ENOB對(duì)于選擇示波器有多重要?

　　這主要取決于您在測(cè)量什么，以及ENOB是否會(huì)影響到您的測(cè)量結(jié)果。ENOB曲線應(yīng)該和底噪聲一起考慮。高速串行的數(shù)字信號(hào)有固定的數(shù)據(jù)速率，因此在特定頻率點(diǎn)會(huì)有諧波成分，這些諧波成分有可能通過測(cè)量系統(tǒng)而不會(huì)受低有效bit的影響。對(duì)于這些應(yīng)用，示波器的底噪聲可以更好衡量測(cè)量精度。如果您的被測(cè)信號(hào)主要是基本的正弦波，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)。

　　您可以向示波器廠商咨詢感興趣的某型號(hào)示波器的ENOB,但重要的是要知道ENOB是一個(gè)隨頻率變化的值，您應(yīng)該知道所選設(shè)備在帶寬內(nèi)所有頻率點(diǎn)的ENOB值。