測量誤差最常見的來源之一是垂直噪聲的存在，它會降低信號測量的精度，在頻率變化時產(chǎn)生不精確測量的問題。采用ENOB(有效位數(shù))測試法可以更準確地評估數(shù)字轉換系統(tǒng)包括示波器的性能。ENOB值是一個系統(tǒng)噪聲和頻率響應的總和。當頻率升高時，通常分辨率會大幅下降，因此ENOB-頻率的關系是一個有用的指標。遺憾的是，ENOB指標通常只是對一兩個點，而不是整個頻率區(qū)間。

　　在對微伏范圍的信號(如雷達傳輸信號或心率監(jiān)測儀信號)做測試與測量時，噪聲會給測量帶來困難。噪聲會導致難以找到一個信號的真實電壓，它會增加抖動，使時序測量精度下降。另外，它還使(數(shù)字示波器的)波形看上去比模擬示波器“肥胖”。

　　ENOB概念

　　數(shù)字轉換的性能與分辨率相關聯(lián)，但如果只是簡單地去選擇一款在所需幅度分辨率時有所需的位數(shù)、量化水平的數(shù)字轉換器，就有失偏頗，因為根據(jù)所采用的技術，當信號速度增高時，動態(tài)數(shù)字轉換的性能會顯著下降。一個8 位數(shù)字轉換器在遠未達到其所設定帶寬時，有效位性能就會下降到64 位、4 位，甚至更低。

　　在設計或選擇ADC、數(shù)字轉換儀器或測試系統(tǒng)時，關鍵是要理解影響數(shù)字轉換性能的各種因素，并有一些方法來評估整體性能。ENOB測試提供了為動態(tài)數(shù)字轉換性能建立一種品質因數(shù)的方法。在各個設計階段都可以將其作為一種評估工具并用它獲得整體系統(tǒng)指標。由于制造商一般不會為每臺儀器或系統(tǒng)部件設定ENOB，你可能需要做ENOB評估，以作比對。ENOB實際上是確定一個數(shù)字轉換設備或儀器表達各種頻率下信號能力的一種手段(圖1)。

　　圖1中顯示，當數(shù)字信號的頻率增高時，有效的數(shù)字轉換精度會劣化。此時，8 位數(shù)字轉換器只有在直流和低頻下才能提供8個有效精度位。當數(shù)字轉換的信號頻率或速度升高時，性能會下降到較小的有效位數(shù)。

　　數(shù)字轉換性能的這種下降本身就增加了數(shù)字轉換信號的噪聲水平。這種情況下，噪聲是指輸入信號與數(shù)字轉換輸出信號之間的任何隨機誤差或偽隨機誤差?？梢詫⒁粋€數(shù)字轉換信號中的此種噪聲表述為SNR(信噪比)：SNR= rmsSIGNAL/rmsERROR，其中，rmsSIGNAL是數(shù)字轉換信號的均方根值，而rmsERROR是噪聲誤差的均方根值。下式可得到它與有效位的關系：EB=log2(SNR)-½log2(1.5)-log2(A/FS)，其中EB表示有效位，A是數(shù)字轉換信號的峰峰輸入幅度，而FS是數(shù)字轉換器輸入端的峰峰滿量程范圍。其它常用方程包括：EB=N-log2(rmsERROR/ IDEAL_QUANTIZATION_ERROR)，其中N是數(shù)字轉換器的標稱(或靜態(tài))分辨率，還有：EB=-log2(rmsERROR)×√12/FS。

　　這些方程采用了數(shù)字轉換過程中產(chǎn)生的噪聲(或誤差)水平。在上面第二個EB方程中，理想的量化誤差項是理想情況下對輸入信號N bit數(shù)字轉換時的rms誤差。IEEE針對數(shù)字轉換波形記錄儀的標準(IEEE標準1057)定義了前兩個方程(參考文獻1)。第三個方程有一個替代者，它假設理想的量化誤差是均勻分布在一個LSB(最低有效位)的峰-峰上。有了這個假設，就可以用 FS/(2N√12替代理想的量化誤差項，其中FS是數(shù)字轉換器的滿量程輸入范圍。

　　這些方程均使用滿量程信號。實際測試中采用的信號可能不到滿量程，例如50%或90%量程。改善ENOB結果可以提高此值，因此，ENOB規(guī)格或測試的比較必須同時考慮測試信號的幅度與頻率。

　　與數(shù)字轉換有關的噪聲或誤差可以有多個來源。即使是一個理想的數(shù)字轉換器，量化也會產(chǎn)生一個最小噪聲，或相當于±½ LSB的誤差水平。這個誤差是數(shù)字轉換過程的固有部分(圖2)。這是與理想數(shù)字轉換相關的分辨率限制，或不確定性。一款真實的數(shù)字轉換器會在這個理想的基本誤差水平上增加更多的誤差。這些額外的實際誤差可以包括：直流偏移;交流偏移，或“模式”誤差，有時也叫做固定模式失真，它與交互式采樣方式有關;直流與交流增益誤差;模擬非線性;還有數(shù)字非單調性。另外還必須考慮相位誤差;隨機噪聲;頻率-時基不精確性;孔徑不確定性，或叫采樣時間抖動;數(shù)字誤差，如由于亞穩(wěn)態(tài)、丟失碼等所導致的數(shù)據(jù)損失;以及其它誤差源，如觸發(fā)器抖動。

　ENOB的測量

　　除這些誤差源以外，還存在著其它可能的數(shù)字轉換誤差源。例如，在沒有采樣保持或跟蹤保持的高速實時數(shù)字轉換中，LSB必須高速變化，以跟上一個快速變化的信號。這種要求增加了對數(shù)據(jù)線的帶寬要求，以及對這些次要位的緩沖輸入。如果不滿足對帶寬的要求，則可能丟掉這些快速變化的次要位，從而降低ENOB。

　　一般情況下，測量整體性能較簡單，而要試圖區(qū)別和測量一個數(shù)字轉換系統(tǒng)的每個誤差源，則比較難。一個好的起點是確定數(shù)字轉換系統(tǒng)的SNR，并根據(jù)上述方程獲得有效位。這種方法提供了一種易于理解并通用的品質因數(shù)，可供比較。

　　基本的測試步驟包括為數(shù)字轉換器施加一個已知的高質量信號，然后分析數(shù)字轉換后的波形(圖3)。測試用一個正弦波作為測試信號，因為高質量正弦波的生成和特性確定都相對較容易。一般的測試要求是：正弦波發(fā)生器的性能必須明顯超過待測數(shù)字轉換器。否則，測試將無法從信號源誤差中分辨出數(shù)字轉換誤差?？赡苄枰谠瓷显黾訛V波器，使源的諧波明顯低于對于待測數(shù)字轉換器的預期值。

　　要獲得ENOB，必須計算一個完美的(或理想的)正弦波，并將其加到自己的示波器上，使其適配于數(shù)字轉換的正弦波。這種方法模擬了一個理想的N bit待測數(shù)字轉換器可產(chǎn)生的內容。然后，可以計算出理想正弦波與經(jīng)過完美采樣和數(shù)字轉換的波形之間的差值。這個差的rms值就是理想量化誤差。在ENOB方程中，從實際數(shù)字轉換正弦波中減去理想正弦波，找到結果的rms值，就得到了rms誤差值。另外，可以找出信號的rms值和rms誤差，用它們計算出SNR。最后的計算就得到了數(shù)字轉換器的一個ENOB。對各種頻率都保持輸入信號幅度為常數(shù)，就可以進一步計算出目標數(shù)字轉換器或數(shù)字轉換系統(tǒng)的各個ENOB。然后繪出不同頻率下的這些數(shù)值圖，獲得一個數(shù)字轉換器的性能曲線。

　　ENOB測量得到了包含數(shù)字轉換系統(tǒng)關鍵誤差的品質因素，易于理解和用于比較。ENOB取決于輸入信號的滿量程數(shù)字轉換幅度的百分比。測試一款小于滿量程幅度的數(shù)字轉換器一般獲得的ENOB數(shù)值要優(yōu)于滿量程測試值。無論采用的是何種測試方案(滿量程或部分量程)，輸入測試信號的幅度規(guī)格都應伴隨著結果。

　　示波器噪聲

　　當對數(shù)字示波器與模擬示波器作比較時，有一個常見的誤區(qū)，那就是數(shù)字示波器的垂直噪聲水平較高。采用數(shù)字示波器時，顯示的軌跡可能要比模擬示波器更粗。然而，數(shù)字示波器的噪聲水平并不比相當?shù)哪M示波器更高;它只是表現(xiàn)為這種方式。#p#分頁標題#e#

　　采用CRT顯示屏的模擬示波器并不會顯示噪聲的極值范圍，因為它們出現(xiàn)得很快，很少見(圖4)，這意味著磷光也一閃而過，因此這些極值范圍很暗，或根本無法在屏幕上顯示。模擬儀器不會顯示各個時間上的電壓，但有一個第三尺度：亮度。亮度與信號發(fā)生的頻率有關。一個DSO(數(shù)字信號示波器)會以相同亮度，顯示每個bit，無論像素被擊中的頻率如何(圖5)。DPO(數(shù)字熒光示波器)提供了一種存儲第三尺度的方式，即根據(jù)擊中的頻率對信號劃分等級(圖6)。

　　真實世界的信號噪聲

　　ENOB性能表明，噪聲會同時影響到幅度和時序測量。為了演示噪聲對幅度的影響，在一臺13 GHz帶寬，400 mV滿量程電壓的Tektronix DPO/DSA70000B示波器上加了一個6.5 GHz的正弦波。它還有無限大的顯示余輝，這樣可以看到所有采集的變動。在不作平均時，測試運行包含了大約1萬次采集。結果在峰值時軌跡粗細約為15.9 mV，相當于該示波器滿量程的3%(圖7)。這個結果對應于6.5 GHz時約5.9 ENOB(圖8)。采用相同測試設置時，比較性測試表明其它示波器的峰值時軌跡粗在35 mV以上，ENOB約4.5。

ENOB效果也可以在眼圖上看。ENOB性能同時影響到眼圖的幅度和抖動。5 Gbps的眼圖表示了一個與PCIe(外設部件快速互連)2代或USB(通用串行總線)3.0相關的信號碼率(圖9)。

　　測試時，將此信號加在Tektronix DPO70000B示波器上，儀器設定為測量TIE(時間間隔誤差)抖動，它同時影響著抖動與幅度噪聲。本測試獲得的抖動為3.08 ps峰峰值。在比較測試中，有些示波器對相同信號的抖動超過11 ps峰峰值。

　　同樣，噪聲也影響著眼圖的幅度。此時，在眼的50%點處測量眼的高度，得到約582 mV的幅度。與之相比，其它儀器測得的不到525 mV。

　　所有數(shù)字轉換系統(tǒng)都有隨速度提升而劣化的噪聲。因此，擁有一種評估數(shù)字轉換系統(tǒng)(包括測試儀器)實際噪聲性能的方法就很有用。 ENOB是一種針對任何模擬或數(shù)字系統(tǒng)中信號完整性的常用品質因數(shù)，代表了一個頻率范圍上累積的誤差。通常，ENOB值會隨頻率的升高而減小。

　　當對實際信號做幅度測量時，很容易看到由于較低ENOB性能所致的誤差，增加了噪聲，做抖動測量時也獲得更高的抖動。隨著ENOB數(shù)值的下降，儀器的測量精度也下降，這直接等同于可在儀器上測試的余量。記住這些因素后，應仔細評估ENOB性能，尤其是對那些高碼率和快速邊沿的應用。