ADC的有效位指標(biāo)以及示波器系統(tǒng)的有效位

衡量示波器測試系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)有很多，而“有效位數(shù)”對于了解整個測量系統(tǒng)至關(guān)重要。本文將討論示波器有效位ENOB，以及ENOB對實際信號測試的影響，并結(jié)合實際應(yīng)用，給出EXCEL求解的方法。

1.前言

圖表 1數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖表 1數(shù)字示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，信號通過探頭系統(tǒng)進(jìn)入示波器后，經(jīng)過衰減器和前置放大器調(diào)理后進(jìn)入ADC。衰減電路和放大器通過繼電器進(jìn)行協(xié)同工作，在調(diào)整垂直分辨率時可快速切換使用。衡量ADC性能指標(biāo)的參數(shù)有很多，比如采樣率、DNL、INL、信噪比、有效位等。本文主要討論ADC的有效位指標(biāo)以及示波器系統(tǒng)的有效位。

2.ADC有效位定義

圖表 2ADC采集的正弦波頻域分布

ADC的有效位指標(biāo)是對正弦波信號進(jìn)行FFT頻譜分析間接計算得到的。圖表 2是正弦波經(jīng)過AD采樣再經(jīng)過FFT變換得到的頻域分布圖，除了主要的正弦波分量外還存在很多噪聲、諧波和雜散信號。

ADC的有效位定義為

式中：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。

3.示波器的有效位ENOB

ENOB參數(shù)被業(yè)界廣泛接受為是一種通用的判定A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換、示波器系統(tǒng)或其它數(shù)字化系統(tǒng)性能優(yōu)劣的指標(biāo)。所有的數(shù)字化系統(tǒng)中都存在多種誤差，這些誤差會影響系統(tǒng)獲取的電壓與 “理想” 電壓存在偏差。對一個理想的示波器系統(tǒng)而言，在最大輸入帶寬范圍內(nèi)，系統(tǒng)有效位數(shù)應(yīng)和A/D的轉(zhuǎn)換分辨率相同。在現(xiàn)實中，所有的儀器都不可能是理想的，ENOB通常是低于其A/D轉(zhuǎn)換分辨率的。

由圖表 1數(shù)字示波器系統(tǒng)架構(gòu)圖可知，前端采集電路及ADC采樣電路對ENOB有較大影響。實際工作時，偏置誤差、非線性誤差、增益誤差、隨機(jī)噪聲以及ADC交織引起的噪聲都會影響ENOB。

圖表 3示波器ENOB曲線

4.ENOB對實際信號測量的影響

圖表 4兩臺示波器測量同一信號

l示波器的ENOB指標(biāo)好，時間誤差、頻率雜散（通常由拼接誤差引起）都比較小，同時寬帶噪聲也比較低；

lENOB沒有考慮相位不一致和頻響失真等；

理想情況下所有示波器都具有平坦的相位和頻響曲線以及相同的滾降方式。但事實上一般在示波器指標(biāo)手冊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。圖表 4顯示了一個輸入信號在兩臺不同的示波器上的測量結(jié)果。兩臺示波器的ENOB是相同的，但示波器1顯示的波形更加接近真實的輸入信號，而示波器2顯示的波形就失真比較大。

lENOB沒有考慮到示波器可能引入的偏置誤差；

兩臺有相同ENOB的示波器可能顯示的波形形狀完全一樣，但是絕對電壓偏置不一樣。對于這一點，測量示波器在不同偏置下的底噪聲或者評估直流增益指標(biāo)可以提供更好的評價方法。

5.示波器ENOB的測量

l示波器ENOB的測量需要考慮以下幾點因素：

1)測試源的ENOB要比被測示波器的ENOB大。

2)被測信號是否充滿示波器量程會影響ENOB的測試結(jié)果。

3)被測信號頻率與示波器采樣率會影響ENOB的測試結(jié)果。這一點很重要，在實際測試中必須滿足以下條件。（詳細(xì)可在“ZLG立功科技-致遠(yuǎn)電子”微信公眾號文章搜索‘千萬別錯過！這些FFT干貨真的很受用’）

式中：

n：質(zhì)數(shù)；

N：FFT的分析點數(shù)，此處取4096個點；

Fs：示波器采樣率；

Fin：被測信號頻率。

l根據(jù)以上幾點，示波器ENOB的測量的大體思路和相關(guān)步驟如下：

1)示波器設(shè)置合適的垂直檔位、時基檔位、儲存深度和采樣率。采樣率可通過調(diào)節(jié)時基檔位和儲存深度改變；

圖表 5示波器ENOB測試截圖

2)導(dǎo)出數(shù)據(jù)報表.SCV文件；

圖表 6示波器導(dǎo)出.SCV文件

3)利用EXCEL對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，并計算ENOB。

（EXCEL模板百度云鏈接：https://pan.baidu.com/s/1ciUuB3oKfco-10QkR4o3TA 提取碼: x8i5）

圖表 7EXCEL處理數(shù)據(jù)求解ENOB

不同幅度和頻率被測信號的情況下，利用EXCEL處理數(shù)據(jù)求解示波器ENOB。結(jié)果如圖表 8所示，雖然ZDS2020B Plus采用8位ADC，由于被測信號幅度的影響，實際測量的ENOB是沒法達(dá)到理想狀態(tài)的；

圖表 8示波器ENOB記錄表

ENOB是衡量示波器ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)之一，但更高的ENOB并不是示波器能夠真實重現(xiàn)輸入信號的必要條件。這主要取決于測量什么信號，以及ENOB是否會影響到測量結(jié)果。在實際應(yīng)用中，可以通過以下幾點提高示波器的ENOB以獲得較高的測量精度。

l示波器選擇帶寬限制濾波器，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。

l在測量重復(fù)性的或低頻信號時，使用平均或高分辨率的采集模式，這樣可以減少寬帶噪聲。綜合使用這些模式可以有效進(jìn)行更高精度測量。

l選擇合適的垂直量程，一般波形占屏80%~90%。