評估示波器的垂直噪聲特性

分類：解決方案日期：2009-06-08 11:07:24 來源：

引言
　　所有示波器都有一項不受歡迎的特性：存在于示波器前端和數字化過程中的垂直噪聲。測量系統噪聲將降低您的實際信號測量精度，特別是在測量低電平信號和噪聲時。由于示波器是一種寬帶測量儀器，示波器帶寬越寬，多數情況下垂噪聲也越高。雖然工程師在購買示波器時會了解示波器的垂直噪聲特性，但對這些特性應進行仔細的評估，因為它能經幾種途徑影響信號完整性。垂直噪聲會：
　　1. 引入幅度測量誤差
　　2. 引入sin(x)/x 波形重建不確定度
　　3. 引入作為輸入信號沿壓擺率函數的定時誤差（抖動）
　　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資料中給出垂直噪聲指標 / 特性。即使有這項指標，它也往往會造成誤導，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。此外還講述了當存在相對高測量系統噪聲（示波器噪聲）電平時，如何對低電平信號進行更精確噪聲和干擾測量的有用技巧。

什么是噪聲，應如何測量噪聲
　　隨機噪聲有時也稱白噪聲，它在理論上是無界的，并服從高斯分布。無界意味著由于噪聲固有的隨機性，您在噪聲表征測量中收集數據越多，就會得到越高的峰峰偏移。由于這一原因，像垂直噪聲和隨機抖動這類隨機現象就應使用有效值（標準偏差）進行定義和測量。表 1 示出四種競爭500MHz 帶寬示波器的有效值噪聲本底測量值。每一種示波器都使用 50Ω 端接，設置為使用各示波器規定的最高采樣率，在無信號連接條件下采集波形。
　　也請參看附錄 A 中競爭 1GHz 帶寬示波器的有效值噪聲本底測量結果。
　　通常認為示波器的“基線噪聲本底”是示波器置于最靈敏設置（最低 V/div）時的噪聲電平。但今天市場上的許多示波器在最靈敏 V/div 設置時有降低的帶寬特性。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 設置處的基線噪聲本底特性時，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。應在各示波器提供全帶寬的最靈敏 V/div 設置處比較相同帶寬的基線噪聲本底。
　　許多示波器的評估者錯誤地僅測試示波器最靈敏設置時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 設置。示波器中實際有兩個固有的噪聲成分。其一是主要由示波器前端衰減器和放大器所貢獻的固定噪聲電平。示波器最靈敏 V/div 設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置時的支配地位，但示波器在不太靈敏設置（較高 V/ div）處使用時，這一噪聲成分是可以忽略的。
　　第二項噪聲成份是基于示波器動態量程的相對噪聲電平，它由特定 V/div 設置確定。當示波器置于最靈敏設置時，可以忽略這項噪聲，它主要影響不太靈敏的設置。雖然示波器在高 V/div 設置時，波形并未表現出很大的噪聲，但實際噪聲幅度可能相當高，您可比較表1中 1V/div 與10mV/div 測量的噪聲電平。 Agilent MSO6054A 的這一相對有效值噪聲成分近似為V/div 設置的 2%。而 Tektronix 和 LeCroy 的 500MHz帶寬示波器的相對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）和相對噪聲成分后，您就能使用平方和的平方根公式估計中間 V/div 設置下的噪聲量。從表 1 中的噪聲測量結果可看到在大多數V/div 設置下， Agilent MSO6054A 具有總體上最低的噪聲特性。

測量峰峰噪聲
　　雖然使用有效值能得到評估和比較噪聲的最好結果，但人們也往往想測量和比較峰峰噪聲。因為畢竟示波器屏幕上看到的是峰峰偏移，并且它在實時 / 非平均測量中造成最大的幅度誤差。基于這一原因，許多示波器用戶更愿意比較和測量峰峰值噪聲。由于隨機垂直噪聲在理論上是無界的，您必須首先建立收集多少數據的判據，然后依據該判據獲得峰峰噪聲測量結果。表 2 示出對四種 500MHz 示波器收集 1M 點數字化數據的峰峰噪聲測量。也請參看附錄 B 對富競爭價的 1GHz 帶寬示波器的峰峰噪聲測量結果。
　　注意因TDS3054B（10 k 點）只有有限的存儲器深度，對 1M 采集點作峰峰噪聲表征測量是一項非常困難的任務。為在各 V/div 設置下獲得總共 1M 點的總采集數據量，儀器要用無限余輝累積約 100 次采集。其它被測示波器有較深的采集存儲器，一次采集就能收集到 1M 數據點。
　　由于一次特定的 1M 數據點采集（ TDS3054B 為一組采集）有可能產生或高或低的峰峰測量結果，我們對每一 V/div設置重復 10 次 1M 點的峰峰噪聲測量。然后對測量結果平均，得到對采集 1M 數據點的“典型”峰峰噪聲系數。如這張表格所示，Agilent 6000 系列示波器在全帶寬 V/div 設置下有最低的總峰峰噪聲電平（基于 1M 數據點）。而 Tektronix 和 LeCroy 的500MHz 帶寬示波器在大多數設置處有高得多的峰峰噪聲電平。
　　雖然把各種示波器設置于同樣的時間 / 格，然后用無限余輝模式在所設置的時間量，例如10 秒內收集數據是很誘人的，但您應注意峰峰噪聲測試并不能使用這種更為直觀的方法。不僅是存儲器深度明顯不同，更新率也存在著顯著差異。例如若您從默認設置條件開始，然后將 Tektronix TDS5054B和Agilent MSO6054A 設置為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 MegaZoom III 技術的 Agilent 6000 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 秒的無限余輝波形，Agilent示波器收集的峰峰噪聲測量數據要多約 3000 倍。如前所述，由于隨機垂直噪聲的隨機和高斯本性，峰峰噪聲會隨收集數據的增加而增大。

用探頭測量噪聲
大多數示波器都配有可提供 600MHz 系統帶寬的 10:1 無源探頭（對于600MHz或更高的示波器）。更高帶寬示波器也可能用有源探頭實現更高的帶寬。無論您是使用無源探頭還是有源探頭，探頭本身都將增加附加的隨機噪聲成份。今天的數字示波器能自動檢測探頭的衰減系數和重新調整示波器的 V/div 設置，以反映探頭所引入的信號衰減。因此如果您正使用 10:1 探頭，示波器所指示的 V/div設置將是示波器內部實際設置的 10 倍。也就是說如果接有 10:1 探頭示波器的設置為 20mV/div，那么示波器中輸入衰減器和放大器的實際設置將是 2mV/ div。這意味著由于基線噪聲本底放大了10 倍，因此會觀察到相對屏幕高度較高的噪聲電平。如果您進行重要的低電平信號測量，例如測量電源紋波，就應考慮使用 1:1 無源探頭。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，因為這一帶寬限制也可能施加到較高的 V/div 設置。

在噪聲條件下測量
　　當您所使用的示波器置于最靈敏 V/div設置時，示波器的固有隨機噪聲有可能掩蓋掉實際信號測量。但您可利用某些測量技術把示波器的噪聲影響減到最小。在您測量電源紋波和噪聲電平時，有可能要用到最靈敏的那幾個量程。首先應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準 10:1 無源探頭。其次是如果您要測量電源的有效值噪聲，測量結果中也包括了示波器和探頭系統的噪聲貢獻，它們有可能相當高。但通過仔細表征信號（電源）和測量系統，就能扣除測量系統噪聲成分，而得到對實際電源噪聲（有效值）的更精確估計。
　　通過使用 Agilent 6000 系列示波器約 4.7V 的直流偏置，圖 1 示出用 1:1 無源探頭在 10 mV/div 設置下所進行的電源噪聲測量。注意500MHz 和 1GHz Tektronix 和 LeCroy 示波器的文件中規定在接入 1:1 無源探頭和低于50mV/div 的設置時，對輸入信號的偏置不能大于 ± 1 V 。這意味著在用 Tektronix 或LeCroy 示波器進行5V 電源的噪聲測量時，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，結果中將去除掉電源的直流成分，而不能進行精確的測量。

　　我們用裝上 1:1 無源探頭的 Agilent 示波器，對嘈雜的 5V 電源所測到的噪聲約為 1.5 mV RMS。圖2 是使用相同 1:1 無源探頭對測量系統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 設置下測量到的系統噪聲約為 480V RMS 。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 / 探頭噪聲測量結果高于表1所示的噪聲系數（ 250 V RMS）。此外我們使用的是 1MΩ 輸入端接，而不是原來的 50Ω端接（用于表 1 中的基線有效值噪聲測量）。現在用平方和的平方根公式扣除這一測量系統噪聲成分，結果表明該電源的噪聲約為 1.4 mV RMS。
　　雖然這一特定電源測量除了隨機成分外，還可能包括確定性 / 系統性的干擾 / 噪聲成分，但如果確定性成分與示波器的自動觸發沒有相關性，就能利用這項技術扣除測量系統的誤差成分，得到對電源總有效值噪聲的非常接近的近似值。
　　干擾的各確定性 / 系統性成分，例如開關電源或數字系統時鐘干擾，也能在存在高隨機測量系統噪聲的條件下進行精確的測量。您能用示波器單獨通道上的可疑干擾源觸發，重復采集輸入信號，通過平均去掉由示波器 / 探頭和輸入信號貢獻的所有隨機和非相關噪聲和干擾成分。其結果將是對電源特定干擾成分的高分辨率測量，甚至您可把示波器置于非常靈敏的 V/div 設置，例如圖 3 所示的 2 mV/div。此外，對電源的平均直流成分進行精確測量要求示波器有足夠的直流偏置范圍（只有 Agilent 示波器能達到）。對同樣嘈雜電源信號使用這項平均測量技術，我們測量到系統10MHz 時鐘（下方的綠色波形）引入近似為 4.9mVp-p 的干擾。為找到所有確定性（非隨機性）的干擾和紋波，您需要把各種可疑干擾源作為示波器的觸發源，進行多次平均測量。

觀察“胖”波形
　　一些示波器的使用者相信數字存儲示波器（DSO）的隨機垂直噪聲電平高于較老的模擬示波器。之所以得出這一結論，是因為 DSO 上的跡線一般要比模擬示波器寬。但 DSO 的實際噪聲電平并不比模擬示波器高。對于模擬示波器技術而言，由于信號極端值很少出現，因此所顯示的隨機垂直噪聲的極端值或是非常黯淡，或是根本看不到。雖然工程師一般認為示波器是一種顯示電壓 — 時間的二維儀器，但由于模擬示波器采用掃描電子束技術，所以還存在著第三個維度。第三維用跡線亮度調制顯示信號的出現頻度，從而意味著模擬示波器實際上隱匿了，或在視覺上抑制了隨機垂直噪聲的極端值。
　　傳統數字示波器缺乏顯示第三個維度（亮度調制）的能力。但今天的某些新型數字示波器已有了更接近老式模擬示波器顯示質量的亮度分級能力。采用 MegaZoom III 技術的 Agilent 最新 6000系列示波器具有示波器行業中最高的亮度分級，它把 256 級亮度映射到 XGA 顯示。圖 4 示出在 10mV/div 設置下，用100% 亮度捕獲的低電平 10MHz 信號。這幅屏幕代表沒有亮度分級能力的老式數字示波器顯示。由于沒有亮度分級，示波器顯示展示的是極端峰峰噪聲的“胖”波形。但在10mV/div 設置下所測相對低輸入信號（約為 50mVp-p）的“厚度”主要源于固有的示波器噪聲 —而非輸入信號噪聲。圖 5示出的是相同 10MHz 信號，但現在把亮度調到20% ，以更好地模仿天然抑制極端噪聲的模擬示波器顯示。我們現在能在相對靈敏 V/div 設置下，觀察到沒有示波器固有噪聲影響的更“清晰”波形。此外，我們現在還能看到各種波形細節，例如在正弦波正峰頂上的“擺動”，這在以前恒定亮度（100%）的觀察中因為相對高的示波器噪聲電平而被掩蓋掉了。
　　有關示波器顯示質量所帶來好處的更詳細討論，請下載 Agilent 應用指南 1552“示波器顯示質量對發現信號異常能力的影響”。
　　如果您采集的是重復輸入信號，就能像圖3所示的例子那樣，代之以通過波形平均消除測量系統的隨機信號噪聲。對于實時/單次應用（不能使用重復平均），有些示波器提供高分辨率的采集模式。采用這項技術，您就能通過 DSP/ 數字濾波過濾掉單次采集中的高頻噪聲和干擾成分，把垂直分辨率增加到12bit，此時付出的代價是測量系統的帶寬。

總結
　　當您評估欲購買的各種示波器時，一定要仔細考慮示波器的固有噪聲特性。并非所有示波器的這項指標均相一致。示波器的垂直隨機噪聲不僅會使測量精度下降，它還可能影響觀察數字信號的質量。在您評估示波器噪聲特性時，必須要在同樣的測量判據下仔細地設置被測示波器，這些判據包括相同帶寬的示波器、相同的 V/div 設置（具有全帶寬）、相同的采樣率、相同的存儲器深度和相同的采集數。
　　如本文所述，與業內其它500MHz - 1GHz 示波器相比， Agilent DSO/MSO 6000 系列和 54830 系列 Infiniium 示波器在總體上有最低的噪聲特性。此外，采用MegaZoom III 技術的 Agilent 6000 系列示波器以256級亮度提供最高分辨率的顯示質量，可用于觀察受抑制的示波器固有噪聲的隨機極端值。
　　您能采用各種不同測量技術，如數學計算、波形平均、DSP 濾波和顯示亮度分級最小化，甚至消除測量系統噪聲成分，從而更精確地測量系統中的低電平隨機性和確定性噪聲成分。
　　雖然本文僅著重探討的是500MHz 和 1GHz 帶寬示波器噪聲測量比較，但其原則也適用于任何帶寬的示波器—無論是更高還是更低的帶寬。事實上，Agilent 的更高帶寬12GHz DSO81204A 示波器具有這一帶寬范圍示波器中最低的固有內部測量系統噪聲，其噪聲電平甚至不高于當前市場上的 1GHz 示波器。由于采用低功率集成電路（IC）技術實現了更高集成度， Agilent還能達到更低的測量噪聲性能水平。
　　還應注意在對隨機垂直示波器噪聲的評估中，只取了極有限的樣本量。為測試所選的所有示波器都是各廠家當前生產的產品。我們只測試了通道 1，因為這是工程師最常使用的通道。雖然我們不能確保文中所述的測量具有典型性，但我們仍認為這些測量結果代表了各示波器廠家當前生產的產品。

術語表
基線噪聲本底:在示波器最靈敏 V/div 設置下所測的有效值噪聲電平
Sin(x)/x:重建一種軟件濾波特性，它以更高的數據分辨率重建樣本波形，從而更精確地代表符合 Nyquist準則的原未采樣輸入波形
噪聲本底:在示波器各V/div 設置下所測的有效值噪聲電平
隨機噪聲:服從高斯分布的無界噪聲
動態范圍:數字存儲示波器（DSO）模數轉換器的滿度范圍，它取決于示波器的 V/div 設置，在大多數示波器中，它的變化范圍通常為 8 格峰峰（全屏）到 10 格峰峰（全屏＋ 20%）
峰峰噪聲:根據特定判據的示波器峰峰噪聲，這些判據如時間、采集數和 / 或采集存儲器深度
有效值噪聲:作為標準偏差的所測隨機噪聲
無限余輝:數字存儲示波器（DSO）的一種常用顯示模式，它累積和顯示所有采集，以示出信號最壞條件偏差
高斯分布:典型的鐘形曲線統計分布
確定性:系統性誤差 / 噪聲源，它是有界的
跡線亮度調制 / 分級:示波器特定時間位置處的顯示亮度隨頻度而變
DSP:數字信號處理
MegaZoom III:一項 Agilent 專利技術，它提供跡線亮度分級、快波形更新率和響應敏捷的深存儲器

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