【導(dǎo)讀】無(wú)可避免，所有示波器在模擬通道與數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生垂直噪聲。很多用戶在購(gòu)買示波器時(shí)都忽略了這個(gè)重要參數(shù)，甚至連示波器廠商都會(huì)刻意回避這個(gè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中很少有明確標(biāo)明。這里將詳細(xì)分析了垂直噪聲的由來(lái)并比較了各主流廠商不同型號(hào)示波器的底噪特性。
垂直噪聲從哪里來(lái)？
示波器的垂直噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：
1) 模擬前端電路的噪聲：包括衰減電路的噪聲、緩沖電路的噪聲、放大器的噪聲以及電源的噪聲。
因?yàn)殡S機(jī)噪聲的無(wú)界性、隨機(jī)性，帶寬越高，噪聲頻譜越寬，模擬前端電路的噪聲越大。示波器的基線本底噪聲主要由這部分決定，這也是評(píng)價(jià)模擬前端設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。
2) 模擬信號(hào)數(shù)字化過(guò)程產(chǎn)生的噪聲：主要是ADC的量化噪聲。
關(guān)于ADC的量化噪聲，貝爾實(shí)驗(yàn)室的W. R. Bennett 1948年發(fā)表的經(jīng)典論文中有一條很有名的公式可以表征：
以ZDS2022中使用的ADC為例，它的分辨率為8bit，采樣率為1GSa/s，帶寬為200MHz，計(jì)算可得ADC量化過(guò)程的信噪比為53.9dB。所以在最小垂直檔位2mV/div下的量化噪聲有效值為14uVrms，基本可以忽略不計(jì)，在該檔位下噪聲主要來(lái)自模擬前端。測(cè)量10mVpp的方波，波形跡線會(huì)變粗，測(cè)量誤差主要來(lái)自模擬前端的本底噪聲。
圖1 2mV/div檔位下測(cè)試10mVpp的方波峰峰值誤差
但是當(dāng)垂直檔位越大，量化噪聲逐漸占主導(dǎo)地位，而模擬前端噪聲雖然會(huì)隨著放大器的增益變化產(chǎn)生微小的改變，但是仍然在2mV以下。
示波器通常為了防止ADC超出限制，留了±1div的裕量，實(shí)際垂直幅度范圍為10div，所以在1V/div檔位下ADC的1LSB為40mV左右，按照最大量化誤差±0.5LSB計(jì)算，ZDS2022在該檔位下的量化噪聲為40mVpp。測(cè)量幅度為5Vpp的方波信號(hào)，測(cè)量誤差主要來(lái)自量化噪聲。
圖 2 1V/div檔位測(cè)試5Vpp方波信號(hào)的峰峰值誤差
垂直噪聲會(huì)帶來(lái)什么影響？
示波器垂直噪聲會(huì)從很多方面影響信號(hào)的精確測(cè)量，它會(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) 在進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)抖動(dòng)，無(wú)法穩(wěn)定波形，這時(shí)必須設(shè)置觸發(fā)耦合為高頻抑制，并適當(dāng)增大觸發(fā)靈敏度。
4) 產(chǎn)生顯示不良的“胖波形”。
如何評(píng)估示波器的底噪？
既然底噪如此重要，要怎么評(píng)估一臺(tái)示波器的底噪呢？通常認(rèn)為示波器的基線本底噪聲是示波器垂直檔位置于靈敏度最高條件下測(cè)得的。但是市面上很多示波器在最高靈敏度檔位下，由于放大器增益大于40dB，帶寬通常會(huì)有所降低。所以要比較不同示波器的底噪，應(yīng)該把相同帶寬特征的示波器放在一起，對(duì)比他們?cè)谌珟挆l件下最高靈敏度檔位的基線本底噪聲。
因?yàn)樵肼暦母咚狗植?，存在隨機(jī)性、無(wú)界性，噪聲測(cè)量中收集的數(shù)據(jù)越多，得到的噪聲峰峰值偏移更高，基于這一原因像垂直噪聲和隨機(jī)抖動(dòng)這類隨機(jī)現(xiàn)象應(yīng)使用RMS（均方根）值來(lái)進(jìn)行定義和測(cè)量。
為了比較各公司不同型號(hào)示波器的基線本底噪聲，需要將它們各種設(shè)置置于盡量接近的條件，步驟如下：
1) 打開通道1，設(shè)置為直流耦合，輸入阻抗設(shè)置為1MΩ，關(guān)閉帶寬限制，置于2mV/div垂直檔位；
2) 斷開探頭的連接，將輸入端口接地，并遠(yuǎn)離可能耦合進(jìn)來(lái)的噪聲源；
3) 將時(shí)基檔位設(shè)置為20ns/div，存儲(chǔ)深度盡量選擇接近的值；
4) 正確設(shè)置觸發(fā)通道與觸發(fā)電平；
5) 關(guān)閉其他通道（某些型號(hào)示波器由于多通道共用單片ADC、存儲(chǔ)芯片，在開啟多個(gè)通道時(shí)會(huì)降低采樣率、存儲(chǔ)深度等參數(shù)）。
6) 打開示波器的測(cè)量功能，選擇電壓有效值(RMS-AC)測(cè)量；
7) 為了對(duì)比更明顯，設(shè)置余輝時(shí)間為10s。
下圖分別是ZDS2022、T公司的MDO3054（為了帶寬一致，已開啟250MHz帶寬限制）、A公司的MSO-X 3012A測(cè)試的基線本底噪聲結(jié)果。
圖3 ZDS2022底噪測(cè)試
