示波器ENOB值在提升准确度中的作用

2012-02-27 14:53:57来源: 互联网

经验丰富的示波器使用者会进一步评估示波器的更新率、固有抖动、杂讯位准,以及所有可提升量测品质的规格。然而,评估频宽达GHz范围的示波器时,还须考虑另一项品质指标,亦即透过有效位元数(ENOB)来描述示波器中的类比数位转换器(ADC)特性。因此,如何有效掌握示波器的量测准确度,ENOB遂成为至关重要的指标。

  检视前端/ADC设计品质 首重ENOB/杂讯位准

  在示波器架构中,前端(Front-end)与ADC技术是提升量测准确度的关键要素,因为示波器前端可调理仪器取样到的讯号,以便让ADC可正确将讯号数位化。其中,示波器前端元件包含衰减器、前置放大器和讯号分配路径,示波器设计工程师往往须费尽心力设计前端元件,才能获得平坦的频率响应、较低的杂讯,和所需的频率下降度。

  由于示波器对ADC的需求不尽相同,因此示波器厂商一般会自行设计ADC晶片,但每次开发新的前端元件或ADC都须投入相当可观的成本,故设计出的ADC会用于多个示波器系列和不同代的机种。示波器设计团队会尽可能减低这些电路对取样讯号量测结果的影响,以提升量测准确度。

  虽然使用者可衡量ADC和前端元件组合在一起后的特性,却很难单独分析个别元件的特性,因此,必须透过很多方法来评量示波器的前端电路品质,而示波器厂商通常使用杂讯量测和ENOB来评估示波器前端与ADC的设计品质。

  不过,挑选示波器时不能仅止于评估ENOB或杂讯位准,而要综合考虑示波器的整体效能,特别是评估不同垂直设定与偏移值下的示波器杂讯位准,有助于进一步确认示波器量测品质良莠,并可得知示波器前端和ADC转换器设计是否够稳定。

  由于示波器杂讯会增加不必要的抖动而减少设计余裕,且通常示波器频宽愈高,产生的内部杂讯就愈多,这是因为在高频状态下示波器会接收累积杂讯;而频宽较低的示波器则因频率下降度较低,反而可滤掉这些杂讯。因此,欲评估示波器杂讯,最直接的方法就是输入通道不接收任何东西,并藉由改变垂直灵敏度与偏移值来查看电压的均方根(RMS)值。

  掌握ENOB量测要素 讯号源振幅/频率须重视

  实际上,ENOB是以一个固定振幅的正弦波进行扫频量测,然后撷取电压量测结果并进行评估与分析,分析方法可分为时域和频域法。时域量测法是将撷取到的时域资料,减去电压对时间关系所呈现的最理想波形,来计算ENOB值,亦即杂讯。

  其中,杂讯可能来自示波器前端,例如不同频率下相位的非线性和振幅变化,也可能来自于ADC的交错失真。至于使用频域法计算ENOB时,则须将与主讯号相关的功率减去整个宽频的功率,如此一来,时域和频域法所得的结果方能一致。

  另外,若想执行ENOB量测,或是分析示波器厂商提供的ENOB规格,必须考虑以下几点。首先,量测ENOB时所使用的讯号源,其频谱纯度会影响其量测结果,因此,讯号源和搭配使用的滤波器应确保来源ENOB大于示波器的ENOB。

  其次,量测所得的ENOB值与讯号源是否充满示波器全萤幕的振幅比有关,使用充满示波器全萤幕的75%或90%不同讯号源进行量测,所得的ENOB值将不相同,有鉴于此,国际电子互连封装协会联合数据中心(JDEC)标准建议以全萤幕的90%做为确认ENOB值的振幅。

  显而易见,ENOB值与示波器量测品质息息相关,故在比较或测试任何有效位元规格时,务必考虑到待测讯号振幅及频率对ENOB的影响。

  通用ENOB标准助阵 ADC优劣立见

  值得注意的是,目前示波器的ADC多半采导管式(Pipelined)或快闪式(Flash)架构,而国际电子电机工程师学会(IEEE)也特别定义一种用ENOB评估ADC优劣的方法,以协助使用者确认各种ADC的优缺点。

  其中,导管式ADC使用二阶或多阶转换来获致较高的取样率,例如安捷伦(Agilent)90000A系列示波器所配备的20GSa/s ADC(图1),其内部是由八十个256MSa/s取样率的ADC所组成,可提供更高的取样率。

  

 

  图1 安捷伦Infiniium 9000系列示波器的ENOB曲线图,ENOB值会因频率不同而有所差异,且每款示波器的ENOB图各不相同。此ENOB图显示整体示波器系统的ENOB,而不只是8位元ADC的ENOB。

  至于快闪式ADC则具备一组比较器,可平行对输入讯号进行取样,且每个比较器会对应到一个解码电压范围,藉由将讯号馈送至逻辑电路,这一组比较器会对每个电压范围产生一个编码。然而,每一种ADC技术都有其局限性,例如快闪式ADC的线性误差较高,而导管式ADC通常具有较多的交错误差。

  不过,与常识相反,某些示波器在不采用最快取样率时,反而能提供更准确的量测结果,这是因为采用最快取样率时,示波器可能会产生额外的交错失真且增加高频杂讯。

  因此,示波器厂商针对其使用的单独ADC进行内部评估,也会评估示波器系统的整体ENOB,所得出的系统ENOB会低于个别ADC的ENOB。由于ADC是示波器内建的元件,不能单独使用,故惟有评估整体系统的ENOB才有实质意义。

  衡量ADC品质 偏移/相位/频率失真须纳入考量

  为保持ADC效能稳定,ENOB另一个重要的应用在于可用来衡量示波器ADC的品质,若示波器具有良好的ENOB,则其时序误差、频率突波(通常因交错失真所致)和低宽频杂讯都会非常小,若产品应用以正弦波为主,则可依据ENOB来选择最合适的示波器。

  一般而言,使用者不会同时用尽示波器ADC的8位元解析度,为充分利用8位元垂直量测范围,使用者必须放大波形以便使用整个垂直量测范围,但这样会增加观测讯号的困难度,且可能导致ADC饱和风险而产生不良效应。不仅如此,前端杂讯、谐波失真和交错失真,也会降低示波器ADC的效益。因此,必须利用90%垂直范围来量测讯号,此时使用者应将示波器8位元转换器降低至7.2位元(90%×8位元)。

  只不过,ENOB做为一种衡量ADC与前端元件优劣的方法,但它忽略其他几个参数,包括ENOB并不考虑偏移、相位不一致及频率响应失真等因素。如图2所示,一个输入讯号在两台不同示波器上的量测结果,这两台示波器虽具有相同的ENOB值,但可明显看出其中一台示波器显示的波形更接近真实的输入讯号。

  

 

  图2 Scope 1和Scope 2拥有相同的ENOB,但Scope 2却因偏移和相位失真误差等因素,无法真实呈现输入讯号。

  此一现象表示ENOB并未考虑示波器可能导入的偏移误差,因为如果两台示波器的ENOB相同,很可能会显示相同的波形,但绝对电压偏移却不一样。藉由调整偏移并量测杂讯,或是评估直流增益规格,方可获得更好的评估指标。

  理想状况下,所有示波器都具有平坦的相位和频率响应,以及相同的下降特性,以便让客户挑选出合适的示波器。然而,实际情况并非如此,示波器厂商的产品规格书通常不提供相位和频率响应图,而ENOB亦未考虑频率响应平坦度或相位不一致等因素。

  此外,若只考虑ENOB较高的示波器,所显示的输入讯号不一定较准确。由于不同示波器机型的频率响应及相位不一致都各不相同,例如用两台同样标榜6GHz频宽的示波器观察2.1GHz正弦波时,可能会得到不同波形,其中一台示波器可能因频宽下降速度较慢,并只进行些微的相位校正,而获得较差的结果;另一台示波器在频率下降前,可能具有峰值超过6GHz的频率响应,并采用可有效校正相位的演算法,而表现相对较佳。

善用滤波器/撷取模式 提高ENOB有撇步

  有鉴于ENOB对示波器的重要性,若要增加ENOB,最有效的方法除一开始就购买具有较高ENOB的示波器外,亦可要求示波器厂商提供各个示波器机型的整体ENOB值。

  另外,由于大多数高阶示波器均提供使用者可自选的频宽限制滤波器,开启滤波器后便可限制示波器频宽,并可抑制交错误差和杂讯等高频内容,进而提高ENOB值。

  除此之外,示波器亦可使用平均或高解析度撷取模式,进一步量测重复讯号以减少宽频杂讯,而使用这些模式亦可有效进行准确度更高的量测。

  ENOB/杂讯位准双重把关 示波器挑选不失误

  其实使用者对ENOB的考量主要还是取决于想要量测的项目,以及ENOB是否会影响量测结果,因此在挑选示波器时,须一并考虑ENOB图与杂讯位准量测结果。

  举例来说,若待测讯号主要是基本的正弦波,如某些国防应用等,ENOB可能是绝佳的评估标准,可要求示波器厂商提供您感兴趣的示波器机型的ENOB图,但要记住ENOB值会随着频率变化而改变,故要掌握所选的机型在全额定频率范围内的ENOB值。

  不过,若在某些特定频率下,高速串列数位讯号会有谐波成分,它们有可能通过量测系统而不会因有效位元减少而受影响。在此情况下,示波器杂讯位准可以更有效评量准确度。

关键字:示波器  ENOB值  提升  准确度

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0227/article_14603.html
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