垂直噪聲：示波器不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)

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。

垂直噪聲：示波器不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)

?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。

垂直噪聲：示波器不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)

?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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

垂直噪聲：示波器不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)

?圖3 ?ZDS2022底噪測(cè)試

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評(píng)論

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示波器容易被忽略的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

具有出色低通濾波器響應(yīng)的示波器將在-3 dB點(diǎn)之后明顯滾降。如果濾波器沒(méi)有足夠的滾降性能，那么頻譜測(cè)量會(huì)由于感興趣區(qū)域出現(xiàn)的混疊信號(hào)而受到顯著影響。

2018-10-15 08:16:00

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測(cè)試電源性能時(shí)一個(gè)重要指標(biāo)：噪聲測(cè)量

今天，我要談?wù)勗跍y(cè)試電源性能時(shí)需要考慮的另一個(gè)重要指標(biāo)：噪聲測(cè)量。電源噪聲從何而來(lái)？電源噪聲的生成有多種不同的來(lái)源。與任何一款放大器一樣，電源也會(huì)產(chǎn)生各種不同類型的噪聲，而開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)還需要處理

2018-03-27 09:13:33

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淺析示波器波形粗細(xì)屬性以及噪聲對(duì)波形粗細(xì)的影響

目標(biāo)信號(hào)既可以具備低噪聲也可以具有很高的噪聲。有時(shí)很難確定示波器上顯示的信號(hào)噪聲來(lái)自于目標(biāo)信號(hào)還是示波器的內(nèi)部噪聲。當(dāng)示波器的 ADC 進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化時(shí)，ADC 無(wú)法區(qū)分信號(hào)噪聲與示波器內(nèi)部噪聲。它保存 ADC 輸出信號(hào)并顯示相關(guān)數(shù)值。

2018-03-21 10:03:00

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示波器波形分析之示波器波形粗細(xì)屬性詳解

示波器測(cè)量的精度如何？通常從水平時(shí)基的角度看，示波器的測(cè)量精度極高，但從垂直時(shí)基的角度上看，精度就會(huì)顯著降低。原因是什么？一個(gè)主要原因是噪聲對(duì)測(cè)量帶來(lái)的干擾。示波器生成的內(nèi)部噪聲與被測(cè)信號(hào)耦合，由此

2018-01-09 14:22:30

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示波器的噪聲來(lái)源及電源紋波噪聲的測(cè)試方法

非常困難的一件事情。 示波器的主要噪聲來(lái)源于２個(gè)方面：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。所有的實(shí)時(shí)示波器都實(shí)用衰減器來(lái)調(diào)整垂直量程。設(shè)置衰減以后示波器本身的噪聲會(huì)被放大。比如，當(dāng)不用衰減器時(shí)，示波器的基本量程是

2017-11-14 11:38:13

如何減小示波器垂直量測(cè)量偏差

示波器用戶在進(jìn)行幅值/峰值等垂直量測(cè)量時(shí)，偶然遇到測(cè)量結(jié)果與預(yù)期稍有偏差，測(cè)量不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題，使用戶對(duì)示波器的測(cè)量精度產(chǎn)生了質(zhì)疑，在這里說(shuō)說(shuō)示波器幅值/峰值等垂直量測(cè)量為什么出現(xiàn)測(cè)量偏差，針對(duì)這種現(xiàn)象將如何改進(jìn)從而減少測(cè)量誤差。

2016-10-13 15:13:03

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減小示波器探測(cè)空間噪聲的方法

減小示波器探測(cè)空間噪聲的方法，感興趣的小伙伴們可以瞧一瞧。

2016-09-18 17:15:05

示波器不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)

　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，這是不可避免的。很多用戶在購(gòu)買示波器時(shí)都忽略了這一重要參數(shù)，甚至示波器廠商也都刻意回避這個(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。

2015-07-09 11:10:45

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