示波器ENOB值在提升準(zhǔn)確度中的作用

經(jīng)驗(yàn)豐富的示波器使用者會進(jìn)一步評估示波器的更新率、固有抖動(dòng)、雜訊位準(zhǔn)，以及所有可提升量測品質(zhì)的規(guī)格。然而，評估頻寬達(dá)GHz范圍的示波器時(shí)，還須考慮另一項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，亦即透過有效位元數(shù)(ENOB)來描述示波器中的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)特性。因此，如何有效掌握示波器的量測準(zhǔn)確度，ENOB遂成為至關(guān)重要的指標(biāo)。

　　檢視前端/ADC設(shè)計(jì)品質(zhì)　首重ENOB/雜訊位準(zhǔn)

　　在示波器架構(gòu)中，前端(Front-end)與ADC技術(shù)是提升量測準(zhǔn)確度的關(guān)鍵要素，因?yàn)槭静ㄆ髑岸丝烧{(diào)理儀器取樣到的訊號，以便讓ADC可正確將訊號數(shù)位化。其中，示波器前端元件包含衰減器、前置放大器和訊號分配路徑，示波器設(shè)計(jì)工程師往往須費(fèi)盡心力設(shè)計(jì)前端元件，才能獲得平坦的頻率響應(yīng)、較低的雜訊，和所需的頻率下降度。

　　由于示波器對ADC的需求不盡相同，因此示波器廠商一般會自行設(shè)計(jì)ADC晶片，但每次開發(fā)新的前端元件或ADC都須投入相當(dāng)可觀的成本，故設(shè)計(jì)出的ADC會用于多個(gè)示波器系列和不同代的機(jī)種。示波器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會盡可能減低這些電路對取樣訊號量測結(jié)果的影響，以提升量測準(zhǔn)確度。

　　雖然使用者可衡量ADC和前端元件組合在一起后的特性，卻很難單獨(dú)分析個(gè)別元件的特性，因此，必須透過很多方法來評量示波器的前端電路品質(zhì)，而示波器廠商通常使用雜訊量測和ENOB來評估示波器前端與ADC的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

　　不過，挑選示波器時(shí)不能僅止于評估ENOB或雜訊位準(zhǔn)，而要綜合考慮示波器的整體效能，特別是評估不同垂直設(shè)定與偏移值下的示波器雜訊位準(zhǔn)，有助于進(jìn)一步確認(rèn)示波器量測品質(zhì)良莠，并可得知示波器前端和ADC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)是否夠穩(wěn)定。

　　由于示波器雜訊會增加不必要的抖動(dòng)而減少設(shè)計(jì)余裕，且通常示波器頻寬愈高，產(chǎn)生的內(nèi)部雜訊就愈多，這是因?yàn)樵诟哳l狀態(tài)下示波器會接收累積雜訊;而頻寬較低的示波器則因頻率下降度較低，反而可濾掉這些雜訊。因此，欲評估示波器雜訊，最直接的方法就是輸入通道不接收任何東西，并藉由改變垂直靈敏度與偏移值來查看電壓的均方根(RMS)值。

　　掌握ENOB量測要素　訊號源振幅/頻率須重視

　　實(shí)際上，ENOB是以一個(gè)固定振幅的正弦波進(jìn)行掃頻量測，然后擷取電壓量測結(jié)果并進(jìn)行評估與分析，分析方法可分為時(shí)域和頻域法。時(shí)域量測法是將擷取到的時(shí)域資料，減去電壓對時(shí)間關(guān)系所呈現(xiàn)的最理想波形，來計(jì)算ENOB值，亦即雜訊。

　　其中，雜訊可能來自示波器前端，例如不同頻率下相位的非線性和振幅變化，也可能來自于ADC的交錯(cuò)失真。至于使用頻域法計(jì)算ENOB時(shí)，則須將與主訊號相關(guān)的功率減去整個(gè)寬頻的功率，如此一來，時(shí)域和頻域法所得的結(jié)果方能一致。

　　另外，若想執(zhí)行ENOB量測，或是分析示波器廠商提供的ENOB規(guī)格，必須考慮以下幾點(diǎn)。首先，量測ENOB時(shí)所使用的訊號源，其頻譜純度會影響其量測結(jié)果，因此，訊號源和搭配使用的濾波器應(yīng)確保來源ENOB大于示波器的ENOB。

　　其次，量測所得的ENOB值與訊號源是否充滿示波器全螢?zāi)坏恼穹扔嘘P(guān)，使用充滿示波器全螢?zāi)坏?5%或90%不同訊號源進(jìn)行量測，所得的ENOB值將不相同，有鑒于此，國際電子互連封裝協(xié)會聯(lián)合數(shù)據(jù)中心(JDEC)標(biāo)準(zhǔn)建議以全螢?zāi)坏?0%做為確認(rèn)ENOB值的振幅。

　　顯而易見，ENOB值與示波器量測品質(zhì)息息相關(guān)，故在比較或測試任何有效位元規(guī)格時(shí)，務(wù)必考慮到待測訊號振幅及頻率對ENOB的影響。

　　通用ENOB標(biāo)準(zhǔn)助陣　ADC優(yōu)劣立見