評(píng)估示波器的垂直噪聲特性
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雖然這一特定電源測(cè)量除了隨機(jī)成分外，還可能包括確定性/系統(tǒng)性的干擾/噪聲成分，但如果確定性成分與示波器的自動(dòng)觸發(fā)沒(méi)有相關(guān)性，就能利用這項(xiàng)技術(shù)扣除測(cè)量系統(tǒng)的誤差成分，得到對(duì)電源總有效值噪聲的非常接近的近似值。
干擾的各確定性/系統(tǒng)性成分，例如開(kāi)關(guān)電源或數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘干擾，也能在存在高隨機(jī)測(cè)量系統(tǒng)噪聲的條件下進(jìn)行精確的測(cè)量。您能用示波器單獨(dú)通道上的可疑干擾源觸發(fā)，重復(fù)采集輸入信號(hào)，通過(guò)平均去掉由示波器/探頭和輸入信號(hào)貢獻(xiàn)的所有隨機(jī)和非相關(guān)噪聲和干擾成分。其結(jié)果將是對(duì)電源特定干擾成分的高分辨率測(cè)量，甚至您可把示波器置于非常靈敏的V/div設(shè)置，例如圖3所示的2mV/div。此外，對(duì)電源的平均直流成分進(jìn)行精確測(cè)量要求示波器有足夠的直流偏置范圍（只有Agilent示波器能達(dá)到）。對(duì)同樣嘈雜電源信號(hào)使用這項(xiàng)平均測(cè)量技術(shù)，我們測(cè)量到系統(tǒng)10MHz時(shí)鐘（下方的綠色波形）引入近似為4.9mVp-p的干擾。為找到所有確定性（非隨機(jī)性）的干擾和紋波，您需要把各種可疑干擾源作為示波器的觸發(fā)源，進(jìn)行多次平均測(cè)量。
觀察“胖”波形
一些示波器的使用者相信數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）的隨機(jī)垂直噪聲電平高于較老的模擬示波器。之所以得出這一結(jié)論，是因?yàn)镈SO上的跡線一般要比模擬示波器寬。但DSO的實(shí)際噪聲電平并不比模擬示波器高。對(duì)于模擬示波器技術(shù)而言，由于信號(hào)極端值很少出現(xiàn)，因此所顯示的隨機(jī)垂直噪聲的極端值或是非常黯淡，或是根本看不到。雖然工程師一般認(rèn)為示波器是一種顯示電壓—時(shí)間的二維儀器，但由于模擬示波器采用掃描電子束技術(shù)，所以還存在著第三個(gè)維度。第三維用跡線亮度調(diào)制顯示信號(hào)的出現(xiàn)頻度，從而意味著模擬示波器實(shí)際上隱匿了，或在視覺(jué)上抑制了隨機(jī)垂直噪聲的極端值。
傳統(tǒng)數(shù)字示波器缺乏顯示第三個(gè)維度（亮度調(diào)制）的能力。但今天的某些新型數(shù)字示波器已有了更接近老式模擬示波器顯示質(zhì)量的亮度分級(jí)能力。采用MegaZoomIII技術(shù)的Agilent最新6000系列示波器具有示波器行業(yè)中最高的亮度分級(jí)，它把256級(jí)亮度映射到XGA顯示。圖4示出在10mV/div設(shè)置下，用100%亮度捕獲的低電平10MHz信號(hào)。這幅屏幕代表沒(méi)有亮度分級(jí)能力的老式數(shù)字示波器顯示。由于沒(méi)有亮度分級(jí)，示波器顯示展示的是極端峰峰噪聲的“胖”波形。但在10mV/div設(shè)置下所測(cè)相對(duì)低輸入信號(hào)（約為50mVp-p）的“厚度”主要源于固有的示波器噪聲—而非輸入信號(hào)噪聲。圖5示出的是相同10MHz信號(hào)，但現(xiàn)在把亮度調(diào)到20%，以更好地模仿天然抑制極端噪聲的模擬示波器顯示。我們現(xiàn)在能在相對(duì)靈敏V/div設(shè)置下，觀察到?jīng)]有示波器固有噪聲影響的更“清晰”波形。此外，我們現(xiàn)在還能看到各種波形細(xì)節(jié)，例如在正弦波正峰頂上的“擺動(dòng)”，這在以前恒定亮度（100%）的觀察中因?yàn)橄鄬?duì)高的示波器噪聲電平而被掩蓋掉了。
有關(guān)示波器顯示質(zhì)量所帶來(lái)好處的更詳細(xì)討論，請(qǐng)下載Agilent應(yīng)用指南1552“示波器顯示質(zhì)量對(duì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常能力的影響”。
如果您采集的是重復(fù)輸入信號(hào)，就能像圖3所示的例子那樣，代之以通過(guò)波形平均消除測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)信號(hào)噪聲。對(duì)于實(shí)時(shí)/單次應(yīng)用（不能使用重復(fù)平均），有些示波器提供高分辨率的采集模式。采用這項(xiàng)技術(shù)，您就能通過(guò)DSP/數(shù)字濾波過(guò)濾掉單次采集中的高頻噪聲和干擾成分，把垂直分辨率增加到12bit，此時(shí)付出的代價(jià)是測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。
總結(jié)
當(dāng)您評(píng)估欲購(gòu)買的各種示波器時(shí)，一定要仔細(xì)考慮示波器的固有噪聲特性。并非所有示波器的這項(xiàng)指標(biāo)均相一致。示波器的垂直隨機(jī)噪聲不僅會(huì)使測(cè)量精度下降，它還可能影響觀察數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量。在您評(píng)估示波器噪聲特性時(shí)，必須要在同樣的測(cè)量判據(jù)下仔細(xì)地設(shè)置被測(cè)示波器，這些判據(jù)包括相同帶寬的示波器、相同的V/div設(shè)置（具有全帶寬）、相同的采樣率、相同的存儲(chǔ)器深度和相同的采集數(shù)。
如本文所述，與業(yè)內(nèi)其它500MHz-1GHz示波器相比，AgilentDSO/MSO6000系列和54830系列Infiniium示波器在總體上有最低的噪聲特性。此外，采用MegaZoomIII技術(shù)的Agilent6000系列示波器以256級(jí)亮度提供最高分辨率的顯示質(zhì)量，可用于觀察受抑制的示波器固有噪聲的隨機(jī)極端值。
您能采用各種不同測(cè)量技術(shù)，如數(shù)學(xué)計(jì)算、波形平均、DSP濾波和顯示亮度分級(jí)最小化，甚至消除測(cè)量系統(tǒng)噪聲成分，從而更精確地測(cè)量系統(tǒng)中的低電平隨機(jī)性和確定性噪聲成分。
雖然本文僅著重探討的是500MHz和1GHz帶寬示波器噪聲測(cè)量比較，但其原則也適用于任何帶寬的示波器—無(wú)論是更高還是更低的帶寬。事實(shí)上，Agilent的更高帶寬12GHzDSO81204A示波器具有這一帶寬范圍示波器中最低的固有內(nèi)部測(cè)量系統(tǒng)噪聲，其噪聲電平甚至不高于當(dāng)前市場(chǎng)上的1GHz示波器。由于采用低功率集成電路（IC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高集成度，Agilent還能達(dá)到更低的測(cè)量噪聲性能水平。
還應(yīng)注意在對(duì)隨機(jī)垂直示波器噪聲的評(píng)估中，只取了極有限的樣本量。為測(cè)試所選的所有示波器都是各廠家當(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品。我們只測(cè)試了通道1，因?yàn)檫@是工程師最常使用的通道。雖然我們不能確保文中所述的測(cè)量具有典型性，但我們?nèi)哉J(rèn)為這些測(cè)量結(jié)果代表了各示波器廠家當(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品。
術(shù)語(yǔ)表
基線噪聲本底:在示波器最靈敏V/div設(shè)置下所測(cè)的有效值噪聲電平
Sin(x)/x:重建一種軟件濾波特性，它以更高的數(shù)據(jù)分辨率重建樣本波形，從而更精確地代表符合Nyquist準(zhǔn)則的原未采樣輸入波形
噪聲本底:在示波器各V/div設(shè)置下所測(cè)的有效值噪聲電平
隨機(jī)噪聲:服從高斯分布的無(wú)界噪聲
動(dòng)態(tài)范圍:數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿度范圍，它取決于示波器的V/div設(shè)置，在大多數(shù)示波器中，它的變化范圍通常為8格峰峰（全屏）到10格峰峰（全屏＋20%）
峰峰噪聲:根據(jù)特定判據(jù)的示波器峰峰噪聲，這些判據(jù)如時(shí)間、采集數(shù)和/或采集存儲(chǔ)器深度
有效值噪聲:作為標(biāo)準(zhǔn)偏差的所測(cè)隨機(jī)噪聲
無(wú)限余輝:數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）的一種常用顯示模式，它累積和顯示所有采集，以示出信號(hào)最壞條件偏差
高斯分布:典型的鐘形曲線統(tǒng)計(jì)分布
確定性:系統(tǒng)性誤差/噪聲源，它是有界的
跡線亮度調(diào)制/分級(jí):示波器特定時(shí)間位置處的顯示亮度隨頻度而變
DSP:數(shù)字信號(hào)處理
MegaZoomIII:一項(xiàng)Agilent專利技術(shù)，它提供跡線亮度分級(jí)、快波形更新率和響應(yīng)敏捷的深存儲(chǔ)器
評(píng)論