示波器中的噪声来源

高分辨率示波器的一大优势是噪声更低，测量精度更高，示波器系统的噪声水平不是仅仅由一个高分辨率的ADC决定，更需要低噪声的前端放大器，以及特殊设计的系统架构，是一个完整的高分辨率系统，本文主要分析示波器中噪声来源和量化方法。

示波器最大垂直分辨率由采集系统中的单个器件决定- ADC - 并且它具有量化噪声和其他噪声成分，可将噪声引入测量并降低有效分辨率，其他器件以及集成器件的整体采集系统也会产生噪声。

然而，示波器中的主要噪声源往往是前端放大器，这就是为什么高分辨率示波器具有专门设计的低噪声前端放大器至关重要，示波器前端放大器通常由多级不同增益的放大器组成，因此会有运行机制可以在宽范围的输入信号幅度下提供与信号大小相关的最小噪声。

图1显示了示波器通道中噪声源的示例，用户输入信号VIN输入到示波器，VIN在进入示波器时本身有噪声，前端放大器和ADC也会叠加噪声到信号上。在这个例子中，每个ADC输入驱动四个都会增加噪声的内部ADC，这主要是量化噪声。意识到经常被忽视的噪声源 - 用户信号上的噪声 - 不能被消除是很重要的，因为示波器无法区分噪声，对其而言，噪声也是信号，示波器的功能是真实地再现信号，在前端放大器中加到信号上的噪声引起了一个问题，即它与用户输入信号上的噪声无法区分，并且对所有下游路径都是同样的。因此，必须尽可能减小前端噪声- 后期处理技术不能滤除或消除前端噪声。

图1 – 示波器输入信号路径和噪声源

与其他所有器件一样，ADC的工作是真实地数字化呈现给它的波形。 但是，交织单个或多个ADC芯片和交织多个片内（内部）ADC为进一步降低噪声提供了机会。

系统中每个噪声源的重要参数：

•噪声的幅度

•噪声源之间的相关性

•信号路径中噪声源的位置以及与系统中的其他路径的共同程度

•噪声的频谱特性

随后我们将讨论如何用软件后处理技术利用噪声源的知识来提高有效分辨率，但是，一个简单的事实仍然存在- 在应用软件后处理技术之前，从低噪声、高分辨率的硬件采集系统开始，在应用软件后处理技术后仍将获得最佳的有效分辨率。有关可用于降低示波器噪声的软件后处理技术的其他详细信息，请参见“了解示波器中的垂直分辨率"。

示波器本底噪声，代表性信号和ENOB测量

示波器完整系统的性能应该是有兴趣了解示波器噪声水平的用户的关注点，以及他们能否在广告声称的带宽和采样率下获得对应的分辨率和噪声性能。

本底噪声

简单的本底噪声测试是在示波器通道没有输入信号时提供的噪声性能大致性的指标，虽然这个测试简单易行，但它不是示波器性能最真实可靠的测试，因为大多数示波器在使用时，都会有输入信号相连。尽管如此，添加输入信号时噪声不会降低，因为增加的信号幅度只会稍后将噪声添加到噪声测量中。 因此，本底噪声对于粗略评估整体性能可能是一个有用的测试。

代表性信号

基本的“标准"输入信号可以揭示更多前端放大器和ADC的性能信息，阶跃响应和高速串行数据信号通常用于了解示波器系统的性能。

阶跃响应

阶跃响应可以提供示波器在实际工作条件下信号质量和完整性的有用信息，除了显示实际噪声性能外，示波器足够带宽的阶跃响应还将显示前端放大器性能（上升时间，过冲，线性度等）。

高速NRZ串行数据信号

NRZ串行数据信号通常在示波器中以眼图的形式查看，眼图仅仅对应于NRZ串行数据信号的1和0转变的一系列阶跃响应， 如果串行数据信号的速率足够高，则阶跃响应上升时间将会很快，这是对示波器的阶跃响应和噪声性能的直观视觉测试。 因此，眼图非常适用于评估示波器的整体噪声和采样时钟质量。

高带宽示波器利用软件时钟恢复和位分片算法来显示没有触发抖动影响的眼图，因此1和0转换时间宽度仅取决于采样时钟抖动，这最大限度地减少了对触发系统的依赖 - 具有低触发抖动是一个重要的优点，因为触发电路的随机抖动可能比实际串行数据信号中的抖动对抖动计算的影响更大，眼图中的1和0（顶部和底部）表示可以很好地指示NRZ信号的1和0电平的噪声。

抖动通过时间间隔误差的计算来计算- 测量周期与实际时钟周期的偏差， 标准定义了从时间间隔误差抖动的测量中计算随机抖动（Rj）和确定性抖动（Dj），并随后计算10e-12误码率的总抖动（Tj），如公式1：

Tj=14∙Rj+Dj

公式1-从Rj和Dj

因此，大的Rj将导致计算的Tj非常大，并且非常好（低抖动）的Rj性能在设计中也是非常珍贵的，因此，工程师需要使用给测量增加很少抖动的示波器。

示波器系统ENOB

示波器ENOB可以从示波器SINAD的测量中推导出来。参考公式2：

示波器ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

公式2-从示波器SINAD中计算示波器ENOB

如果前端放大器不是系统中的主要噪声源，则系统ENOB将接近ADC的ENOB，理解ADC ENOB是系统ENOB的上限很重要，但是系统性能才是需要理解的关键性能，实际上，示波器（系统）ENOB将始终小于ADC ENOB。

公式2假定输入信号是满量程的，如果不是，则需要使用公式3：

ENOB= (SINAD-1.76+20 log⁡((FullScaleAmplitude)/(InputAmplitude)))/6.02

公式3-计算输入信号幅度小于满量程的示波器ENOB

通常情况下，ENOB是在满量程的90％处进行测量并进行调整的。但是，如果不对小于满量程振幅的输入信号进行调整，则ENOB计算结果将低于其它情况。例如，如果一个系统使用90％满量程幅度信号测得的SINAD为55 dB，根据公式3，ENOB计算为9，根据公式2，ENOB计算为8.84。因此，了解满量程用于ENOB测量以及是否对幅度进行了调整非常重要。

从这个公式可以推导出每个有效位6 dB SINAD的“经验法则"，因此，半个有效位的改进相当于噪声减少3dB（30％）,并且1个有效位的改进等同于噪声减少6dB（50％），ENOB的微小差异意味着垂直（电压振幅）噪声很大。

测量ENOB的要求是在IEEE-1057-2007“数字化波形记录仪标准"中定义的，但是，这种测量方法不包括数字示波器中常用的多ADC导致的交织误差。如果多个ADC不能匹配增益、延迟和偏移量，则它们会降低信号。另一种基于FFT的用于测量ENOB的方法“计算有效位数"包括噪声和失真分量以及ADC交织误差分量，请记住，在设计良好的示波器中，交织误差分量很小（约为-47dB），并且通常不会影响ENOB，但其对低噪声、高分辨率示波器的影响要高于传统8位分辨率示波器，这些交织误差可能是用IEEE-1057 ENOB规范标定高分辨率示波器与真实世界信号上观察到的实际系统噪声性能不匹配的另一个原因。

测量ENOB时，我们需要测量它相对频率的函数，这是因为失真分量通常是频率的函数，而且当采样时钟抖动很高时，SNR和SINAD也是频率的函数。 当出现抖动时，会增加相关频率处的噪声和失真，这可以在图2中看到，请注意，与其他地方相比，输入的6 GHz正弦波周围的频谱噪声功率要高10dB（由于此特定示波器的采样时钟抖动很高），并且在高带宽下的影响最大。

图2-某示波器6 GHz输入正弦波的噪声谱密度

图3显示了同一台示波器对应的SINAD（描述为SNR）与频率的关系，SINAD在较高频率下逐渐降低。

图3-同一台示波器的SINAD vs. frequency

图4显示对不同频率纯正弦输入信号的影响，正如图2所预期的那样，随着频率的增加，输入信号噪声明显变得更大。

图4-某示波器noise vs. frequency

频率合成器被用于输入示波器的正弦波发生器，大多数质量好的商用频率合成器的固有本底噪声水平低于8位示波器采集系统。 但是，频率合成器本身的本底噪声可能不会低于更高分辨率的示波器采集系统，因此，在频率合成器的输出端使用带通滤波器以消除谐波含量，并且输出正弦波被进一步衰减以减小发生器本底噪声，如果在12位采集系统上测量ENOB时不采用这些步骤，则所做的ENOB测量将更多地反映所使用的信号源而非采集系统。

ENOB规格可能被简化为一个数字，但重要的是要了解这个数字是否仅代表单一频率下最佳情况下的性能，还是代表广泛频率范围内的典型值。毫不奇怪，示波器制造商通常会一个最有利的ENOB数字代表性能，特别是如果他们使用的是较低分辨率的ADC或未针对高分辨率性能优化的前端放大器。

最后，无论分辨率如何，ENOB都会随着带宽的增加而下降，图5显示了8位、10位和12位分辨率示波器的典型ENOB值与示波器带宽的关系， 还显示ENOB趋势线以供参考，表示外推到更高带宽的ENOB线。

图5-典型8、10和12-bit示波器ENOB VS 带宽

例如，2018年购买的典型的高质量1 GHz示波器预计可能具有约6.5的ENOB（尽管ADCENOB可能约为7），十年以前，这个值会少0.5到1.0个比特 - 随着技术的成熟，性能逐渐提高。