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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(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?50??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(qǐng)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(píng)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(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?測量的噪聲電平。?Agilent?MSO6054A?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(píng)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?；谶@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(duì)四種?500MHz?示波器收集?1M?點(diǎn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的峰峰噪聲測量。也?請(qǐng)參看附錄?B?對(duì)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(duì)?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(duì)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(duì)測量結(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，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(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(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?1M??輸?入端接，而不是原來的?50?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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)，?它把?256?級(jí)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(jí)能力的老式數(shù)字示波器顯示。由于沒?有亮度分級(jí)，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(duì)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(duì)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?duì)高?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(qǐng)下載?Agilent?應(yīng)用指南?1552“示波器顯示質(zhì)量對(duì)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(duì)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(píng)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(píng)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(jí)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(jí)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(duì)隨機(jī)垂直示波器?噪聲的評(píng)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(jí):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(jí)、快波形更?新率和響應(yīng)敏捷的深存儲(chǔ)器
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(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?50??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(qǐng)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(píng)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(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?測量的噪聲電平。?Agilent?MSO6054A?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(píng)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?；谶@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(duì)四種?500MHz?示波器收集?1M?點(diǎn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的峰峰噪聲測量。也?請(qǐng)參看附錄?B?對(duì)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(duì)?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(duì)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(duì)測量結(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，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(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(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?1M??輸?入端接，而不是原來的?50?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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)，?它把?256?級(jí)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(jí)能力的老式數(shù)字示波器顯示。由于沒?有亮度分級(jí)，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(duì)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(duì)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?duì)高?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(qǐng)下載?Agilent?應(yīng)用指南?1552“示波器顯示質(zhì)量對(duì)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(duì)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(píng)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(píng)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(jí)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(jí)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(duì)隨機(jī)垂直示波器?噪聲的評(píng)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(jí):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(jí)、快波形更?新率和響應(yīng)敏捷的深存儲(chǔ)器
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論