数字转换器噪声对示波器测量的影响

测量误差最常见的来源之一是垂直噪声的存在，它会降低信号测量的精度，在频率变化时产生不精确测量的问题。采用ENOB（有效位数）测试法可以更准确地评估数字转换系统包括示波器的性能。ENOB值是一个系统噪声和频率响应的总和。当频率升高时，通常分辨率会大幅下降，因此ENOB-频率的关系是一个有用的指标。遗憾的是，ENOB指标通常只是对一两个点，而不是整个频率区间。

　　在对微伏范围的信号（如雷达传输信号或心率监测仪信号）做测试与测量时，噪声会给测量带来困难。噪声会导致难以找到一个信号的真实电压，它会增加抖动，使时序测量精度下降。另外，它还使（数字示波器的）波形看上去比模拟示波器"肥胖"。
ENOB概念

　　数字转换的性能与分辨率相关联，但如果只是简单地去选择一款在所需幅度分辨率时有所需的位数、量化水平的数字转换器，就有失偏颇，因为根据所采用的技术，当信号速度增高时，动态数字转换的性能会显著下降。一个8 位数字转换器在远未达到其所设定带宽时，有效位性能就会下降到64 位、4 位，甚至更低。

　　在设计或选择ADC、数字转换仪器或测试系统时，关键是要理解影响数字转换性能的各种因素，并有一些方法来评估整体性能。ENOB测试提供了为动态数字转换性能建立一种品质因数的方法。在各个设计阶段都可以将其作为一种评估工具并用它获得整体系统指标。由于制造商一般不会为每台仪器或系统部件设定ENOB，你可能需要做ENOB评估，以作比对。ENOB实际上是确定一个数字转换设备或仪器表达各种频率下信号能力的一种手段（图1）。

　　图1中显示，当数字信号的频率增高时，有效的数字转换精度会劣化。此时，8 位数字转换器只有在直流和低频下才能提供8个有效精度位。当数字转换的信号频率或速度升高时，性能会下降到较小的有效位数。

　　数字转换性能的这种下降本身就增加了数字转换信号的噪声水平。这种情况下，噪声是指输入信号与数字转换输出信号之间的任何随机误差或伪随机误差。可以将一个数字转换信号中的此种噪声表述为SNR（信噪比）：SNR= rmsSIGNAL/rmsERROR，其中，rmsSIGNAL是数字转换信号的均方根值，而rmsERROR是噪声误差的均方根值。下式可得到它与有效位的关系：EB=log2(SNR)-½log2(1.5)-log2(A/FS)，其中EB表示有效位，A是数字转换信号的峰峰输入幅度，而FS是数字转换器输入端的峰峰满量程范围。其它常用方程包括：EB=N-log2(rmsERROR/ IDEAL_QUANTIZATION_ERROR)，其中N是数字转换器的标称（或静态）分辨率，还有：EB=-log2(rmsERROR)×√12/FS。

　　这些方程采用了数字转换过程中产生的噪声（或误差）水平。在上面第二个EB方程中，理想的量化误差项是理想情况下对输入信号N bit数字转换时的rms误差。IEEE针对数字转换波形记录仪的标准（IEEE标准1057）定义了前两个方程（参考文献1）。第三个方程有一个替代者，它假设理想的量化误差是均匀分布在一个LSB（最低有效位）的峰-峰上。有了这个假设，就可以用 FS/(2N√12替代理想的量化误差项，其中FS是数字转换器的满量程输入范围。

　　这些方程均使用满量程信号。实际测试中采用的信号可能不到满量程，例如50%或90%量程。改善ENOB结果可以提高此值，因此，ENOB规格或测试的比较必须同时考虑测试信号的幅度与频率。

　　与数字转换有关的噪声或误差可以有多个来源。即使是一个理想的数字转换器，量化也会产生一个最小噪声，或相当于±½ LSB的误差水平。这个误差是数字转换过程的固有部分（图2）。这是与理想数字转换相关的分辨率限制，或不确定性。一款真实的数字转换器会在这个理想的基本误差水平上增加更多的误差。这些额外的实际误差可以包括：直流偏移；交流偏移，或"模式"误差，有时也叫做固定模式失真，它与交互式采样方式有关；直流与交流增益误差；模拟非线性；还有数字非单调性。另外还必须考虑相位误差；随机噪声；频率-时基不精确性；孔径不确定性，或叫采样时间抖动；数字误差，如由于亚稳态、丢失码等所导致的数据损失；以及其它误差源，如触发器抖动。

ENOB的测量

　　除这些误差源以外，还存在着其它可能的数字转换误差源。例如，在没有采样保持或跟踪保持的高速实时数字转换中，LSB必须高速变化，以跟上一个快速变化的信号。这种要求增加了对数据线的带宽要求，以及对这些次要位的缓冲输入。如果不满足对带宽的要求，则可能丢掉这些快速变化的次要位，从而降低ENOB。

一般情况下，测量整体性能较简单，而要试图区别和测量一个数字转换系统的每个误差源，则比较难。一个好的