6．示波器的等效位数

当用户选择示波器进行关键的测量时，了解示波器测量系统的性能是极为重要的。尽管基于一些关键指标（如带宽、采样率、存储深度等）可以进行一些最基本的比较，但仅仅这些指标并不能充分描述示波器的测量质量。经验丰富的示波器使用者还会比较示波器的波形捕获率、本底抖动、底噪声，这些指标可以保证进行更好的测量。对于GHz级以上带宽的示波器来说，有时会引入一个ENOB（Effective Number Of Bits，等效位数）的指标。

ENOB指标的提出是因为当高速ADC进行数据采集时，由于噪声和失真的影响，实际ADC的信噪失真比达不到其标称位数应达到的理想性能，例如很多通信中使用的标称12bit的ADC在实际工作环境中有效位数只有10bit左右。

那么，当选择示波器时，ENOB重要吗？ENOB能有效预测示波器的测量精度吗？这个需要区别对待。

在数字示波器的架构中，与测量精度有关的电路包括示波器的前端电路和后面的ADC采样电路。对于使用者来说，用户可以衡量前端电路和ADC组合在一起后的指标，但是不太容易对各部分指标单独衡量，因此很多时候综合考虑示波器的性能比单独评估ENOB更加有用。

示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪声是评估示波器测量质量的一个很好依据，这些测量结果可以告诉用户示波器的前端和ADC电路设计得有多纯净，因为示波器的底噪声会增加额外的抖动并减小设计裕量。一般情况下，示波器带宽越高，其内部噪声就越高。因为高频噪声会进入高带宽示波器内，但对于低带宽示波器来说，这些高频噪声则会被其过滤掉。最直接的评估示波器底噪声的方法就是输入通道不接任何设备，然后测量示波器在不同量程和偏置情况下电压的RMS值。

示波器厂商通常会对其使用的分立的ADC芯片做内部评测，同时也会评测整个示波器系统的ENOB，整个示波器系统的ENOB会比分立ADC芯片的ENOB要低。由于ADC仅为示波器系统的一部分，不能独立使用，因此整个示波器系统的ENOB指标才有意义。

在ENOB的测量中，一般是用一个固定幅度的正弦波信号进行扫频，在不同频率下对采集到的电压数据进行分析和评估。分析的方法可分为时域和频域的。时域的评估方法是把采集到的时域数据和一个据此的拟和出的理想波形相减，相减的结果就是噪声。噪声可能来自于示波器的前端，例如不同频率下相位的非线性和幅度变化，还有可能来自于ADC拼接造成的失真。频域的评估方法是对信号做FFT变换，然后把主信号功率和带宽内的其他噪声和失真功率相减。用时域和频域方法得到的结果理论上应该是一样的。

如果想进行ENOB测量，或者分析示波器的ENOB指标，需要考虑以下因素：进行ENOB测量时使用的正弦波信号源的纯度会影响ENOB的结果，信号源和配合使用的滤波器需要保证测量源的ENOB比被测示波器的ENOB大；其次，ENOB的测量结果与被测信号是否充满示波器满量程有关，被测信号充满示波器屏幕满量程的75%和90%得到的ENOB的结果是不一样的；最后一点是，ENOB通常不是一个定值，其还与输入信号的频率有关。图4.15是某款8bit的中档示波器的ENOB曲线。可以看到，ENOB的值与输入信号的频率有关，且每款示波器都有自己的ENOB曲线。

图4.15 某款8bit的中档示波器的ENOB曲线

ENOB可以用来衡量示波器ADC的质量。如果示波器的ENOB指标好，它的时间误差、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。如果测量应用主要与正弦波相关，ENOB是进行示波器选择的很有用的指标。但需要注意的是，ENOB的评测中忽略了其他几个与实际测量有关的属性：例如ENOB没有考虑偏置误差、相位不一致以及频响失真等。图4.16显示了一个脉冲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，原因就是示波器2的相位的非线性更加恶劣，不同谐波的延时不一致从而造成合成后信号的失真。

另外ENOB也没有考虑幅度不平坦的因素。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，但一般在示波器厂商的指标手册中都找不到相位和频响曲线。事实上，不同示波器型号的频响曲线是不一样的。例如用两台同样标称6GHz带宽的示波器测量2.1GHz的正弦波时可能会得到幅度不同的波形。一台示波器的频响曲线可能滚降比较慢并且只进行很小的相位修正，另一台示波器的频响曲线则可能在6GHz前有一个峰并使用了大量相位校正算法。

很多高带宽示波器都提供有用户可选的带宽限制滤波器，打开滤波器可以限制示波器的带宽，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。除此以外，示波器还可以对重复性的或低频信号使用平均或高分辨率的采集模式以减少宽带噪声。综合使用这些模式可以有效进行更高精度测量。

综合来说，高速串行的数字信号有固定的数据速率，因此在特定频率点会有谐波成分，对于这些应用，示波器的底噪声、带内平坦度、频响曲线等可以更好地衡量测量精度。如果被测信号主要是基本的正弦波，ENOB可能是一个很好的标准，但同时还要注意ENOB是一个随频率变化的值，使用者应该知道所选设备在带宽内所有频率点的ENOB值。

图4.16 一个脉冲信号在两台不同的示波器上的测量结果