評(píng)估示波器的垂直噪聲特性
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所有示波器都有一項(xiàng)不受歡迎的特性：存在于示波器前端和數(shù)字化過(guò)程中的垂直噪聲。測(cè)量系統(tǒng)噪聲將降低您的實(shí)際信號(hào)測(cè)量精度，特別是在測(cè)量低電平信號(hào)和噪聲時(shí)。由于示波器是一種寬帶測(cè)量?jī)x器，示波器帶寬越寬，多數(shù)情況下垂噪聲也越高。雖然工程師在購(gòu)買示波器時(shí)會(huì)了解示波器的垂直噪聲特性，但對(duì)這些特性應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估，因?yàn)樗芙?jīng)幾種途徑影響信號(hào)完整性。垂直噪聲會(huì)：
1.引入幅度測(cè)量誤差
2.引入sin(x)/x波形重建不確定度
3.引入作為輸入信號(hào)沿壓擺率函數(shù)的定時(shí)誤差（抖動(dòng)）
4.造成可觀察到的不良“胖”波形
可惜并非所有示波器廠家都在技術(shù)資料中給出垂直噪聲指標(biāo)/特性。即使有這項(xiàng)指標(biāo)，它也往往會(huì)造成誤導(dǎo)，并且是不完整的。本文比較了Agilent、Tektronix和LeCroy所制造500MHz至1GHz帶寬范圍示波器的垂直噪聲特性。此外還講述了當(dāng)存在相對(duì)高測(cè)量系統(tǒng)噪聲（示波器噪聲）電平時(shí)，如何對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行更精確噪聲和干擾測(cè)量的有用技巧。
什么是噪聲，應(yīng)如何測(cè)量噪聲
隨機(jī)噪聲有時(shí)也稱白噪聲，它在理論上是無(wú)界的，并服從高斯分布。無(wú)界意味著由于噪聲固有的隨機(jī)性，您在噪聲表征測(cè)量中收集數(shù)據(jù)越多，就會(huì)得到越高的峰峰偏移。由于這一原因，像垂直噪聲和隨機(jī)抖動(dòng)這類隨機(jī)現(xiàn)象就應(yīng)使用有效值（標(biāo)準(zhǔn)偏差）進(jìn)行定義和測(cè)量。表1示出四種競(jìng)爭(zhēng)500MHz帶寬示波器的有效值噪聲本底測(cè)量值。每一種示波器都使用50?端接，設(shè)置為使用各示波器規(guī)定的最高采樣率，在無(wú)信號(hào)連接條件下采集波形。
也請(qǐng)參看附錄A中競(jìng)爭(zhēng)1GHz帶寬示波器的有效值噪聲本底測(cè)量結(jié)果。
通常認(rèn)為示波器的“基線噪聲本底”是示波器置于最靈敏設(shè)置（最低V/div）時(shí)的噪聲電平。但今天市場(chǎng)上的許多示波器在最靈敏V/div設(shè)置時(shí)有降低的帶寬特性。如前所述，示波器是一種寬帶儀器，帶寬越高，通常噪聲本底也越高。所以在您比較各示波器最靈敏V/div設(shè)置處的基線噪聲本底特性時(shí)，您可能是在把較低帶寬示波器與較高帶寬示波器作比較，這不是同類事物的比較。應(yīng)在各示波器提供全帶寬的最靈敏V/div設(shè)置處比較相同帶寬的基線噪聲本底。
許多示波器的評(píng)估者錯(cuò)誤地僅測(cè)試示波器最靈敏設(shè)置時(shí)的基線噪聲本底特性，并假定這一噪聲幅度適用于所有V/div設(shè)置。示波器中實(shí)際有兩個(gè)固有的噪聲成分。其一是主要由示波器前端衰減器和放大器所貢獻(xiàn)的固定噪聲電平。示波器最靈敏V/div設(shè)置處的基線噪聲本底是該噪聲成分的很好近似。這一噪聲成分居最靈敏設(shè)置時(shí)的支配地位，但示波器在不太靈敏設(shè)置（較高V/div）處使用時(shí)，這一噪聲成分是可以忽略的。
第二項(xiàng)噪聲成份是基于示波器動(dòng)態(tài)量程的相對(duì)噪聲電平，它由特定V/div設(shè)置確定。當(dāng)示波器置于最靈敏設(shè)置時(shí)，可以忽略這項(xiàng)噪聲，它主要影響不太靈敏的設(shè)置。雖然示波器在高V/div設(shè)置時(shí)，波形并未表現(xiàn)出很大的噪聲，但實(shí)際噪聲幅度可能相當(dāng)高，您可比較表1中1V/div與10mV/div測(cè)量的噪聲電平。AgilentMSO6054A的這一相對(duì)有效值噪聲成分近似為V/div設(shè)置的2%。而Tektronix和LeCroy的500MHz帶寬示波器的相對(duì)有效值噪聲成分則為量程的3%-4%。
在確定了固定噪聲成分（近似為基線噪聲本底）和相對(duì)噪聲成分后，您就能使用平方和的平方根公式估計(jì)中間V/div設(shè)置下的噪聲量。從表1中的噪聲測(cè)量結(jié)果可看到在大多數(shù)V/div設(shè)置下，AgilentMSO6054A具有總體上最低的噪聲特性。
測(cè)量峰峰噪聲
雖然使用有效值能得到評(píng)估和比較噪聲的最好結(jié)果，但人們也往往想測(cè)量和比較峰峰噪聲。因?yàn)楫吘故静ㄆ髌聊簧峡吹降氖欠宸迤?，并且它在?shí)時(shí)/非平均測(cè)量中造成最大的幅度誤差?；谶@一原因，許多示波器用戶更愿意比較和測(cè)量峰峰值噪聲。由于隨機(jī)垂直噪聲在理論上是無(wú)界的，您必須首先建立收集多少數(shù)據(jù)的判據(jù)，然后依據(jù)該判據(jù)獲得峰峰噪聲測(cè)量結(jié)果。表2示出對(duì)四種500MHz示波器收集1M點(diǎn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的峰峰噪聲測(cè)量。也請(qǐng)參看附錄B對(duì)富競(jìng)爭(zhēng)價(jià)的1GHz帶寬示波器的峰峰噪聲測(cè)量結(jié)果。
注意因TDS3054B（10k點(diǎn)）只有有限的存儲(chǔ)器深度，對(duì)1M采集點(diǎn)作峰峰噪聲表征測(cè)量是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。為在各V/div設(shè)置下獲得總共1M點(diǎn)的總采集數(shù)據(jù)量，儀器要用無(wú)限余輝累積約100次采集。其它被測(cè)示波器有較深的采集存儲(chǔ)器，一次采集就能收集到1M數(shù)據(jù)點(diǎn)。
由于一次特定的1M數(shù)據(jù)點(diǎn)采集（TDS3054B為一組采集）有可能產(chǎn)生或高或低的峰峰測(cè)量結(jié)果，我們對(duì)每一V/div設(shè)置重復(fù)10次1M點(diǎn)的峰峰噪聲測(cè)量。然后對(duì)測(cè)量結(jié)果平均，得到對(duì)采集1M數(shù)據(jù)點(diǎn)的“典型”峰峰噪聲系數(shù)。如這張表格所示，Agilent6000系列示波器在全帶寬V/div設(shè)置下有最低的總峰峰噪聲電平（基于1M數(shù)據(jù)點(diǎn)）。而Tektronix和LeCroy的500MHz帶寬示波器在大多數(shù)設(shè)置處有高得多的峰峰噪聲電平。
雖然把各種示波器設(shè)置于同樣的時(shí)間/格，然后用無(wú)限余輝模式在所設(shè)置的時(shí)間量，例如10秒內(nèi)收集數(shù)據(jù)是很誘人的，但您應(yīng)注意峰峰噪聲測(cè)試并不能使用這種更為直觀的方法。不僅是存儲(chǔ)器深度明顯不同，更新率也存在著顯著差異。例如若您從默認(rèn)設(shè)置條件開(kāi)始，然后將TektronixTDS5054B和AgilentMSO6054A設(shè)置為20ns/div，Tektronix示波器將以約30波形/秒的速率采集和更新波形。由于采用MegaZoomIII技術(shù)的Agilent6000系列有極快的波形更新率，它將以約100,000波形/秒的速率更新波形。這意謂著如果您收集10秒的無(wú)限余輝波形，Agilent示波器收集的峰峰噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)要多約3000倍。如前所述，由于隨機(jī)垂直噪聲的隨機(jī)和高斯本性，峰峰噪聲會(huì)隨收集數(shù)據(jù)的增加而增大。
用探頭測(cè)量噪聲
大多數(shù)示波器都配有可提供600MHz系統(tǒng)帶寬的10:1無(wú)源探頭（對(duì)于600MHz或更高的示波器）。更高帶寬示波器也可能用有源探頭實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。無(wú)論您是使用無(wú)源探頭還是有源探頭，探頭本身都將增加附加的隨機(jī)噪聲成份。今天的數(shù)字示波器能自動(dòng)檢測(cè)探頭的衰減系數(shù)和重新調(diào)整示波器的V/div設(shè)置，以反映探頭所引入的信號(hào)衰減。因此如果您正使用10:1探頭，示波器所指示的V/div設(shè)置將是示波器內(nèi)部實(shí)際設(shè)置的10倍。也就是說(shuō)如果接有10:1探頭示波器的設(shè)置為20mV/div，那么示波器中輸入衰減器和放大器的實(shí)際設(shè)置將是2mV/div。這意味著由于基線噪聲本底放大了10倍，因此會(huì)觀察到相對(duì)屏幕高度較高的噪聲電平。如果您進(jìn)行重要的低電平信號(hào)測(cè)量，例如測(cè)量電源紋波，就應(yīng)考慮使用1:1無(wú)源探頭。此外，如果示波器帶寬受限于較靈敏的V/div量程，則需了解特定探頭的衰減系數(shù)，因?yàn)檫@一帶寬限制也可能施加到較高的V/div設(shè)置。
在噪聲條件下測(cè)量
當(dāng)您所使用的示波器置于最靈敏V/div設(shè)置時(shí)，示波器的固有隨機(jī)噪聲有可能掩蓋掉實(shí)際信號(hào)測(cè)量。但您可利用某些測(cè)量技術(shù)把示波器的噪聲影響減到最小。在您測(cè)量電源紋波和噪聲電平時(shí)，有可能要用到最靈敏的那幾個(gè)量程。首先應(yīng)如前面所述的那樣嘗試使用1:1探頭，而不要用儀器隨帶的標(biāo)準(zhǔn)10:1無(wú)源探頭。其次是如果您要測(cè)量電源的有效值噪聲，測(cè)量結(jié)果中也包括了示波器和探頭系統(tǒng)的噪聲貢獻(xiàn)，它們有可能相當(dāng)高。但通過(guò)仔細(xì)表征信號(hào)（電源）和測(cè)量系統(tǒng)，就能扣除測(cè)量系統(tǒng)噪聲成分，而得到對(duì)實(shí)際電源噪聲（有效值）的更精確估計(jì)。
通過(guò)使用Agilent6000系列示波器約4.7V的直流偏置，圖1示出用1:1無(wú)源探頭在10mV/div設(shè)置下所進(jìn)行的電源噪聲測(cè)量。注意500MHz和1GHzTektronix和LeCroy示波器的文件中規(guī)定在接入1:1無(wú)源探頭和低于50mV/div的設(shè)置時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的偏置不能大于±1V。這意味著在用Tektronix或LeCroy示波器進(jìn)行5V電源的噪聲測(cè)量時(shí)，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須采用交流耦合時(shí)，結(jié)果中將去除掉電源的直流成分，而不能進(jìn)行精確的測(cè)量。
我們用裝上1:1無(wú)源探頭的Agilent示波器，對(duì)嘈雜的5V電源所測(cè)到的噪聲約為1.5mVRMS。圖2是使用相同1:1無(wú)源探頭對(duì)測(cè)量系統(tǒng)噪聲所作的噪聲表征。由于探頭地線直接接到探頭觸針處，在10mV/div設(shè)置下測(cè)量到的系統(tǒng)噪聲約為480VRMS。因使用的1:1探頭增加了附加的噪聲成分，所以這一示波器/探頭噪聲測(cè)量結(jié)果高于表1所示的噪聲系數(shù)（250VRMS）。此外我們使用的是1M?輸入端接，而不是原來(lái)的50?端接（用于表1中的基線有效值噪聲測(cè)量）。現(xiàn)在用平方和的平方根公式扣除這一測(cè)量系統(tǒng)噪聲成分，結(jié)果表明該電源的噪聲約為1.4mVRMS。
評(píng)論