评估示波器的垂直噪声特性

引言
　　所有示波器都有一项不受欢迎的特性：存在于示波器前端和数字化过程中的垂直噪声。测量系统噪声将降低您的实际信号测量精度，特别是在测量低电平信号和噪声时。由于示波器是一种宽带测量仪器，示波器带宽越宽，多数情况下垂噪声也越高。虽然工程师在购买示波器时会了解示波器的垂直噪声特性，但对这些特性应进行仔细的评估，因为它能经几种途径影响信号完整性。垂直噪声会：
　　1.引入幅度测量误差
　　2.引入sin(x)/x波形重建不确定度
　　3.引入作为输入信号沿压摆率函数的定时误差（抖动）
　　4.造成可观察到的不良“胖”波形

　　可惜并非所有示波器厂家都在技术资料中给出垂直噪声指标/特性。即使有这项指标，它也往往会造成误导，并且是不完整的。本文比较了Agilent、Tektronix和LeCroy所制造500MHz至1GHz带宽范围示波器的垂直噪声特性。此外还讲述了当存在相对高测量系统噪声（示波器噪声）电平时，如何对低电平信号进行更精确噪声和干扰测量的有用技巧。

什么是噪声，应如何测量噪声
　　随机噪声有时也称白噪声，它在理论上是无界的，并服从高斯分布。无界意味着由于噪声固有的随机性，您在噪声表征测量中收集数据越多，就会得到越高的峰峰偏移。由于这一原因，像垂直噪声和随机抖动这类随机现象就应使用有效值（标准偏差）进行定义和测量。表1示出四种竞争500MHz带宽示波器的有效值噪声本底测量值。每一种示波器都使用50?端接，设置为使用各示波器规定的最高采样率，在无信号连接条件下采集波形。
　　也请参看附录A中竞争1GHz带宽示波器的有效值噪声本底测量结果。
　　通常认为示波器的“基线噪声本底”是示波器置于最灵敏设置（最低V/div）时的噪声电平。但今天市场上的许多示波器在最灵敏V/div设置时有降低的带宽特性。如前所述，示波器是一种宽带仪器，带宽越高，通常噪声本底也越高。所以在您比较各示波器最灵敏V/div设置处的基线噪声本底特性时，您可能是在把较低带宽示波器与较高带宽示波器作比较，这不是同类事物的比较。应在各示波器提供全带宽的最灵敏V/div设置处比较相同带宽的基线噪声本底。
　　许多示波器的评估者错误地仅测试示波器最灵敏设置时的基线噪声本底特性，并假定这一噪声幅度适用于所有V/div设置。示波器中实际有两个固有的噪声成分。其一是主要由示波器前端衰减器和放大器所贡献的固定噪声电平。示波器最灵敏V/div设置处的基线噪声本底是该噪声成分的很好近似。这一噪声成分居最灵敏设置时的支配地位，但示波器在不太灵敏设置（较高V/div）处使用时，这一噪声成分是可以忽略的。
　　第二项噪声成份是基于示波器动态量程的相对噪声电平，它由特定V/div设置确定。当示波器置于最灵敏设置时，可以忽略这项噪声，它主要影响不太灵敏的设置。虽然示波器在高V/div设置时，波形并未表现出很大的噪声，但实际噪声幅度可能相当高，您可比较表1中1V/div与10mV/div测量的噪声电平。AgilentMSO6054A的这一相对有效值噪声成分近似为V/div设置的2%。而Tektronix和LeCroy的500MHz带宽示波器的相对有效值噪声成分则为量程的3%-4%。
　　在确定了固定噪声成分（近似为基线噪声本底）和相对噪声成分后，您就能使用平方和的平方根公式估计中间V/div设置下的噪声量。从表1中的噪声测量结果可看到在大多数V/div设置下，AgilentMSO6054A具有总体上最低的噪声特性。

测量峰峰噪声
　　虽然使用有效值能得到评估和比较噪声的最好结果，但人们也往往想测量和比较峰峰噪声。因为毕竟示波器屏幕上看到的是峰峰偏移，并且它在实时/非平均测量中造成最大的幅度误差。基于这一原因，许多示波器用户更愿意比较和测量峰峰值噪声。由于随机垂直噪声在理论上是无界的，您必须首先建立收集多少数据的判据，然后依据该判据获得峰峰噪声测量结果。表2示出对四种500MHz示波器收集1M点数字化数据的峰峰噪声测量。也请参看附录B对富竞争价的1GHz带宽示波器的峰峰噪声测量结果。
　　注意因TDS3054B（10k点）只有有限的存储器深度，对1M采集点作峰峰噪声表征测量是一项非常困难的任务。为在各V/div设置下获得总共1M点的总采集数据量，仪器要用无限余辉累积约100次采集。其它被测示波器有较深的采集存储器，一次采集就能收集到1M数据点。
　　由于一次特定的1M数据点采集（TDS3054B为一组采集）有可能产生或高或低的峰峰测量结果，我们对每一V/div设置重复10次1M点的峰峰噪声测量。然后对测量结果平均，得到对采集1M数据点的“典型”峰峰噪声系数。如这张表格所示，Agilent6000系列示波器在全带宽V/div设置下有最低的总峰峰噪声电平（基于1M数据点）。而Tektronix和LeCroy的500MHz带宽示波器在大多数设置处有高得多的峰峰噪声电平。
　　虽然把各种示波器设置于同样的时间/格，然后用无限余辉模式在所设置的时间量，例如10秒内收集数据是很诱人的，但您应注意峰峰噪声测试并不能使用这种更为直观的方法。不仅是存储器深度明显不同，更新率也存在着显著差异。例如若您从默认设置条件开始，然后将TektronixTDS5054B和AgilentMSO6054A设置为20ns/div，Tektronix示波器将以约30波形/秒的速率采集和更新波形。由于采用MegaZoomIII技术的Agilent6000系列有极快的波形更新率，它将以约100,000波形/秒的速率更新波形。这意谓着如果您收集10秒的无限余辉波形，Agilent示波器收集的峰峰噪声测量数据要多约3000倍。如前所述，由于随机垂直噪声的随机和高斯本性，峰峰噪声会随收集数据的增加而增大。

用探头测量噪声
大多数示波器都配有可提供600MHz系统带宽的10:1无源探头（对于600MHz或更高的示波器）。更高带宽示波器也可能用有源探头实现更高的带宽。无论您是使用无源探头还是有源探头，探头本身都将增加附加的随机噪声成份。今天的数字示波器能自动检测探头的衰减系数和重新调整示波器的V/div设置，以反映探头所引入的信号衰减。因此如果您正使用10:1探头，示波器所指示的V/div设置将是示波器内部实际设置的10倍。也就是说如果接有10:1探头示波器的设置为20mV/div，那么示波器中输入衰减器和放大器的实际设置将是2mV/div。这意味着由于基线噪声本底放大了10倍，因此会观察到相对屏幕高度较高的噪声电平。如果您进行重要的低电平信号测量，例如测量电源纹波，就应考虑使用1:1无源探头。此外，如果示波器带宽受限于较灵敏的V/div量程，则需了解特定探头的衰减系数，因为这一带宽限制也可能施加到较高的V/div设置。

在噪声条件下测量
　　当您所使用的示波器置于最灵敏V/div设置时，示波器的固有随机噪声有可能掩盖掉实际信号测量。但您可利用某些测量技术把示波器的噪声影响减到最小。在您测量电源纹波和噪声电平时，有可能要用到最灵敏的那几个量程。首先应如前面所述的那样尝试使用1:1探头，而不要用仪器随带的标准10:1无源探头。其次是如果您要测量电源的有效值噪声，测量结果中也包括了示波器和探头系统的噪声贡献，它们有可能相当高。但通过仔细表征信号（电源）和测量系统，就能扣除测量系统噪声成分，而得到对实际电源噪声（有效值）的更精确估计。
　　通过使用Agilent6000系列示波器约4.7V的直流偏置，图1示出用1:1无源探头在10mV/div设置下所进行的电源噪声测量。注意500MHz和1GHzTektronix和LeCroy示波器的文件中规定在接入1:1无源探头和低于50mV/div的设置时，对输入信号的偏置不能大于±1V。这意味着在用Tektronix或LeCroy示波器进行5V电源的噪声测量时，由于示波器直流偏置的限制而只能采用交流耦合。但如果您因示波器直流偏置限制而必须采用交流耦合时，结果中将去除掉电源的直流成分，而不能进行精确的测量。
我们用装上1:1无源探头的Agilent示波器，对嘈杂的5V电源所测到的噪声约为1.5mVRMS。图2是使用相同1:1无源探头对测量系统噪声所作的噪声表征。由于探头地线直接接到探头触针处，在10mV/div设置下测量到的系统噪声约为480VRMS。因使用的1:1探头增加了附加的噪声成分，所以这一示波器/探头噪声测量结果高于表1所示的噪声系数（250VRMS）。此外我们使用的是1M?输入端接，而不是原来的50?端接（用于表1中的基线有效值噪声测量）。现在用平方和的平方根公式扣除这一测量系统噪声成分，结果表明该电源的噪声约为1.4mVRMS。
　　虽然这一特定电源测量除了随机成分外，还可能包括确定性/系统性的干扰/噪声成分，但如果确定性成分与示波器的自动触发没有相关性，就能利用这项技术扣除测量系统的误差成分，得到对电源总有效值噪声的非常接近的近似值。
　　干扰的各确定性/系统性成分，例如开关电源或数字系统时钟干扰，也能在存在高随机测量系统噪声的条件下进行精确的测量。您能用示波器单独通道上的可疑干扰源触发，重复采集输入信号，通过平均去掉由示波器/探头和输入信号贡献的所有随机和非相关噪声和干扰成分。其结果将是对电源特定干扰成分的高分辨率测量，甚至您可把示波器置于非常灵敏的V/div设置，例如图3所示的2mV/div。此外，对电源的平均直流成分进行精确测量要求示波器有足够的直流偏置范围（只有Agilent示波器能达到）。对同样嘈杂电源信号使用这项平均测量技术，我们测量到系统10MHz时钟（下方的绿色波形）引入近似为4.9mVp-p的干扰。为找到所有确定性（非随机性）的干扰和纹波，您需要把各种可疑干扰源作为示波器的触发源，进行多次平均测量。

观察“胖”波形
　　一些示波器的使用者相信数字存储示波器（DSO）的随机垂直噪声电平高于较老的模拟示波器。之所以得出这一结论，是因为DSO上的迹线一般要比模拟示波器宽。但DSO的实际噪声电平并不比模拟示波器高。对于模拟示波器技术而言，由于信号极端值很少出现，因此所显示的随机垂直噪声的极端值或是非常黯淡，或是根本看不到。虽然工程师一般认为示波器是一种显示电压—时间的二维仪器，但由于模拟示波器采用扫描电子束技术，所以还存在着第三个维度。第三维用迹线亮度调制显示信号的出现频度，从而意味着模拟示波器实际上隐匿了，或在视觉上抑制了随机垂直噪声的极端值。
　　传统数字示波器缺乏显示第三个维度（亮度调制）的能力。但今天的某些新型数字示波器已有了更接近老式模拟示波器显示质量的亮度分级能力。采用MegaZoomIII技术的Agilent最新6000系列示波器具有示波器行业中最高的亮度分级，它把256级亮度映射到XGA显示。图4示出在10mV/div设置下，用100%亮度捕获的低电平10MHz信号。这幅屏幕代表没有亮度分级能力的老式数字示波器显示。由于没有亮度分级，示波器显示展示的是极端峰峰噪声的“胖”波形。但在10mV/div设置下所测相对低输入信号（约为50mVp-p）的“厚度”主要源于固有的示波器噪声—而非输入信号噪声。图5示出的是相同10MHz信号，但现在把亮度调到20%，以更好地模仿天然抑制极端噪声的模拟示波器显示。我们现在能在相对灵敏V/div设置下，观察到没有示波器固有噪声影响的更“清晰”波形。此外，我们现在还能看到各种波形细节，例如在正弦波正峰顶上的“摆动”，这在以前恒定亮度（100%）的观察中因为相对高的示波器噪声电平而被掩盖掉了。
　　有关示波器显示质量所带来好处的更详细讨论，请下载Agilent应用指南1552“示波器显示质量对发现信号异常能力的影响”。
　　如果您采集的是重复输入信号，就能像图3所示的例子那样，代之以通过波形平均消除测量系统的随机信号噪声。对于实时/单次应用（不能使用重复平均），有些示波器提供高分辨率的采集模式。采用这项技术，您就能通过DSP/数字滤波过滤掉单次采集中的高频噪声和干扰成分，把垂直分辨率增加到12bit，此时付出的代价是测量系统的带宽。



总结
　　当您评估欲购买的各种示波器时，一定要仔细考虑示波器的固有噪声特性。并非所有示波器的这项指标均相一致。示波器的垂直随机噪声不仅会使测量精度下降，它还可能影响观察数字信号的质量。在您评估示波器噪声特性时，必须要在同样的测量判据下仔细地设置被测示波器，这些判据包括相同带宽的示波器、相同的V/div设置（具有全带宽）、相同的采样率、相同的存储器深度和相同的采集数。
　　如本文所述，与业内其它500MHz-1GHz示波器相比，AgilentDSO/MSO6000系列和54830系列Infiniium示波器在总体上有最低的噪声特性。此外，采用MegaZoomIII技术的Agilent6000系列示波器以256级亮度提供最高分辨率的显示质量，可用于观察受抑制的示波器固有噪声的随机极端值。
　　您能采用各种不同测量技术，如数学计算、波形平均、DSP滤波和显示亮度分级最小化，甚至消除测量系统噪声成分，从而更精确地测量系统中的低电平随机性和确定性噪声成分。
　　虽然本文仅着重探讨的是500MHz和1GHz带宽示波器噪声测量比较，但其原则也适用于任何带宽的示波器—无论是更高还是更低的带宽。事实上，Agilent的更高带宽12GHzDSO81204A示波器具有这一带宽范围示波器中最低的固有内部测量系统噪声，其噪声电平甚至不高于当前市场上的1GHz示波器。由于采用低功率集成电路（IC）技术实现了更高集成度，Agilent还能达到更低的测量噪声性能水平。
　　还应注意在对随机垂直示波器噪声的评估中，只取了极有限的样本量。为测试所选的所有示波器都是各厂家当前生产的产品。我们只测试了通道1，因为这是工程师最常使用的通道。虽然我们不能确保文中所述的测量具有典型性，但我们仍认为这些测量结果代表了各示波器厂家当前生产的产品。

术语表
基线噪声本底:在示波器最灵敏V/div设置下所测的有效值噪声电平
Sin(x)/x:重建一种软件滤波特性，它以更高的数据分辨率重建样本波形，从而更精确地代表符合Nyquist准则的原未采样输入波形
噪声本底:在示波器各V/div设置下所测的有效值噪声电平
随机噪声:服从高斯分布的无界噪声
动态范围:数字存储示波器（DSO）模数转换器的满度范围，它取决于示波器的V/div设置，在大多数示波器中，它的变化范围通常为8格峰峰（全屏）到10格峰峰（全屏＋20%）
峰峰噪声:根据特定判据的示波器峰峰噪声，这些判据如时间、采集数和/或采集存储器深度
有效值噪声:作为标准偏差的所测随机噪声
无限余辉:数字存储示波器（DSO）的一种常用显示模式，它累积和显示所有采集，以示出信号最坏条件偏差
高斯分布:典型的钟形曲线统计分布
确定性:系统性误差/噪声源，它是有界的
迹线亮度调制/分级:示波器特定时间位置处的显示亮度随频度而变
DSP:数字信号处理
MegaZoomIII:一项Agilent专利技术，它提供迹线亮度分级、快波形更新率和响应敏捷的深存储器