評估示波器的垂直噪聲特性
引言
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)字化過程中的垂直噪聲。測量系統(tǒng)噪 聲將降低您的實(shí)際信號(hào)測量精度， 特別是在測量低電平信號(hào)和噪聲時(shí)。由于示波器是一種寬帶測量儀器，示波器帶寬越寬，多數(shù)情況下垂噪聲也越高。雖然工程師在購買示波器時(shí)會(huì)了解示波器的垂直噪聲特性，但對這些特性應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的評估，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)存在相對高測量系統(tǒng)噪聲（示波 器噪聲）電平時(shí)，如何對低電平信號(hào) 進(jìn)行更精確噪聲和干擾測量的有用技巧。
什么是噪聲，應(yīng)如何測量噪聲
隨機(jī)噪聲有時(shí)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(jī)性，您在噪聲表征測量中收集數(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(shè)置為使用各示波器規(guī)定的最高采樣率，在無信號(hào)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(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。
許多示波器的評估者錯(cuò)誤地僅測試示波器最靈敏設(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(shè)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(jì)中間 V/div 設(shè)置下的噪聲量。 從表 1 中的噪聲測量結(jié)果可看到在 大多數(shù)V/div 設(shè)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(jié)果，但人們也往 往想測量和比較峰峰噪聲。因?yàn)楫?竟示波器屏幕上看到的是峰峰偏移，并且它在實(shí)時(shí) / 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(jī)垂直噪聲在理 論上是無界的，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)獲得峰峰噪聲測量結(jié)果。表 2 示 出對四種 500MHz 示波器收集 1M 點(diǎn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的峰峰噪聲測量。也 請參看附錄 B 對富競爭價(jià)的 1GHz 帶寬示波器的峰峰噪聲測量結(jié)果。
注意因TDS3054B（10 k 點(diǎn)）只 有有限的存儲(chǔ)器深度，對 1M 采集 點(diǎn)作峰峰噪聲表征測量是一項(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(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量結(jié)果， 我們對每一 V/div設(shè)置重復(fù) 10 次 1M 點(diǎn)的峰峰噪聲測量。然后對測量結(jié) 果平均，得到對采集 1M 數(shù)據(jù)點(diǎn)的“典型”峰峰噪聲系數(shù)。 如這張表格所示，Agilent 6000 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)置條件開始，然后將 Tektronix TDS5054B和Agilent MSO6054A 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 MegaZoom III 技術(shù)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(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(shí) 現(xiàn)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(jī)噪聲成份。今天的數(shù)字示波器能自動(dòng)檢測探頭的衰減 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)測量，例如測量 電源紋波，就應(yīng)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(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)測量。但您可利用某些測量技術(shù)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(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 無源探頭。其次是如果您要測量電源的有效值噪聲，測量結(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。但通過仔細(xì)表征 信號(hào)（電源）和測量系統(tǒng)，就能扣除 測量系統(tǒng)噪聲成分，而得到對實(shí)際 電源噪聲（有效值）的更精確估計(jì)。
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(shè)置 下所進(jìn)行的電源噪聲測量。注意500MHz 和 1GHz Tektronix 和 LeCroy 示波器的文件中規(guī)定在接 入 1:1 無源探頭和低于50mV/div 的設(shè)置時(shí)，對輸入信號(hào)的偏置不能大于 ± 1 V 。 這意味著在用 Tektronix 或LeCroy 示波器進(jìn)行5V 電源的噪聲測量時(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(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)置下測量到的系統(tǒng)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(jié)果高于表1所示的噪聲系數(shù)（ 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(xiàn)在用平方和的平方根公式扣除這 一測量系統(tǒng)噪聲成分，結(jié)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(jī)成分外，還可能包括確定性 / 系統(tǒng) 性的干擾 / 噪聲成分，但如果確定性 成分與示波器的自動(dòng)觸發(fā)沒有相關(guān) 性，就能利用這項(xiàng)技術(shù)扣除測量系 統(tǒng)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(tǒng)性成分， 例如開關(guān)電源或數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘干擾，也能在存在高隨機(jī)測量系統(tǒng)噪聲的條件下進(jìn)行精確的測量。您能用示 波器單獨(dú)通道上的可疑干擾源觸發(fā)， 重復(fù)采集輸入信號(hào)，通過平均去掉 由示波器 / 探頭和輸入信號(hào)貢獻(xiàn)的 所有隨機(jī)和非相關(guān)噪聲和干擾成分。 其結(jié)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(shè)置，例如 圖 3 所示的 2 mV/div。此外，對電源的平均直流成分進(jìn)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(dá)到）。 對同樣嘈雜電源信號(hào)使用這項(xiàng) 平均測量技術(shù)，我們測量到系統(tǒng)10MHz 時(shí)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(jī)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(fā)源，進(jìn)行多次平均測量。
觀察“胖”波形
一些示波器的使用者相信數(shù)字 存儲(chǔ)示波器（DSO）的隨機(jī)垂直噪聲 電平高于較老的模擬示波器。之所 以得出這一結(jié)論，是因?yàn)?DSO 上的 跡線一般要比模擬示波器寬。但 DSO 的實(shí)際噪聲電平并不比模擬示 波器高。對于模擬示波器技術(shù)而言， 由于信號(hào)極端值很少出現(xiàn)，因此所 顯示的隨機(jī)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(rèn)為示波器是一種顯示電壓 — 時(shí)間的二維儀器，但由于模擬 示波器采用掃描電子束技術(shù)，所以 還存在著第三個(gè)維度。第三維用跡 線亮度調(diào)制顯示信號(hào)的出現(xiàn)頻度， 從而意味著模擬示波器實(shí)際上隱匿 了，或在視覺上抑制了隨機(jī)垂直噪 聲的極端值。
傳統(tǒng)數(shù)字示波器缺乏顯示第三個(gè)維度（亮度調(diào)制）的能力。但今天 的某些新型數(shù)字示波器已有了更接近老式模擬示波器顯示質(zhì)量的亮度分級能力。采用 MegaZoom III 技術(shù)的 Agilent 最新 6000系列示波器具有示波器行業(yè)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(shè)置下，用100% 亮度捕獲的低電平 10MHz 信 號(hào)。這幅屏幕代表沒有亮度分級能力的老式數(shù)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(shè)置下所測相對低輸入信 號(hào)（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(hào)噪聲。圖 5示出的是相同 10MHz 信號(hào)，但現(xiàn)在把亮度調(diào)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(xiàn)在 能在相對靈敏 V/div 設(shè)置下，觀察 到?jīng)]有示波器固有噪聲影響的更“清晰”波形。此外，我們現(xiàn)在還能 看到各種波形細(xì)節(jié)，例如在正弦波正峰頂上的“擺動(dòng)”，這在以前恒定 亮度（100%）的觀察中因?yàn)橄鄬Ω?的示波器噪聲電平而被掩蓋掉了。
有關(guān)示波器顯示質(zhì)量所帶來好處的更詳細(xì)討論，請下載 Agilent 應(yīng)用指南 1552“示波器顯示質(zhì)量對發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常能力的影響”。
如果您采集的是重復(fù)輸入信號(hào)， 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(tǒng)的隨 機(jī)信號(hào)噪聲。對于實(shí)時(shí)/單次應(yīng)用（不能使用重復(fù)平均），有些示波器提供高分辨率的采集模式。采用這項(xiàng)技術(shù)，您就能通過 DSP/ 數(shù)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(shí)付出的代價(jià)是測量系統(tǒng)的帶寬。
總結(jié)
當(dāng)您評估欲購買的各種示波器時(shí)，一定要仔細(xì)考慮示波器的固有噪聲特性。并非所有示波器的這項(xiàng)指標(biāo)均相一致。示波器的垂直隨機(jī)噪聲不僅會(huì)使測量精度下降，它還可能影響觀察數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量。在您評估示波器噪聲特性時(shí)，必須要在同樣的測量判據(jù)下仔細(xì)地設(shè)置被測示波器，這些判據(jù)包括相同帶寬的示波器、相同的 V/div 設(shè)置（具有全帶寬）、相同的采樣率、相同的存儲(chǔ)器深度和相同的采集數(shù)。
如本文所述， 與業(yè)內(nèi)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(shù)的 Agilent 6000 系列示波器以256級亮度提供最 高分辨率的顯示質(zhì)量，可用于觀察 受抑制的示波器固有噪聲的隨機(jī)極 端值。
您能采用各種不同測量技術(shù)，如數(shù)學(xué)計(jì)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(tǒng)噪聲成分，從而更精確地 測量系統(tǒng)中的低電平隨機(jī)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(shí)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(nèi)部測量系統(tǒng)噪聲，其噪聲電平 甚至不高于當(dāng)前市場上的 1GHz 示 波器。 由于采用低功率集成電路（IC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高集成度， Agilent還能達(dá)到更低的測量噪聲性 能水平。
還應(yīng)注意在對隨機(jī)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(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品。我們只測試了通道 1，因?yàn)檫@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?nèi)哉J(rèn)為這些測量結(jié)果代表了各示 波器廠家當(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品。
術(shù)語表
基線噪聲本底:在示波器最靈敏 V/div 設(shè)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(shù)據(jù)分辨率重建樣本波 形，從而更精確地代表符合 Nyquist準(zhǔn)則的原未采樣輸入波形
噪聲本底:在示波器各V/div 設(shè)置下所測的有效值噪聲電平
隨機(jī)噪聲:服從高斯分布的無界噪聲
動(dòng)態(tài)范圍:數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿度范圍，它取決于示波器的 V/div 設(shè)置，在大多數(shù)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(jù)特定判據(jù)的示波器峰峰噪聲，這些判據(jù)如時(shí)間、采集數(shù) 和 / 或采集存儲(chǔ)器深度
有效值噪聲:作為標(biāo)準(zhǔn)偏差的所測隨機(jī)噪聲
無限余輝:數(shù)字存儲(chǔ)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(hào)最壞條件偏差
高斯分布:典型的鐘形曲線統(tǒng)計(jì)分布
確定性:系統(tǒng)性誤差 / 噪聲源，它是有界的
跡線亮度調(diào)制 / 分級:示波器特定時(shí)間位置處的顯示亮度隨頻度而變
DSP:數(shù)字信號(hào)處理
MegaZoom III:一項(xiàng) Agilent 專利技術(shù)，它提供跡線亮度分級、快波形更 新率和響應(yīng)敏捷的深存儲(chǔ)器
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