示波器的ENOB如何影响模数转换质量

对示波器有过了解的朋友们，应该都听说过ENOB这个示波器的重要指标。ENOB是英文The Effective Number of Bits的缩写，翻译为有效比特数，它是量化模数转换质量的指标，较高的ENOB意味着在模数转换中记录的电压电平更精确。

那我们来看一下ENOB是如何影响模数转换质量的。衡量ADC的指标是Bit位数，这里以K来表示。就是用2的K次方个等级来对信号电压进行量化和处理；假设K是10，那么意味着该ADC的量化电平为2的10次方，也就是1024个量化等级；对于同样峰峰值大小比如1V的信号，量化等级越高，垂直分辨率越高，那么电平误差自然也就越小。

以上是理论上理想ADC的ENOB=K，K是整数值，那么ENOB也是整数值。但是如果仔细去查看示波器（以R&S MXO5系列示波器为例) 的指标手册时会发现，ENOB的实际测量值却很少是整数，一般都小于理想ADC的有效位，即ENOB

为什么会出现这样的情况呢?

其实这里的ENOB值才是示波器实际能达到的ENOB值，由于ADC模块只是示波器的一个组成部分，但是示波器作为一个很多射频模块组成的系统则会受很多因素的影响，导致ADC的性能并不能完全发挥出来，这样一想确实有些道理。

但是究竟是哪些因素导致示波器的真实ENOB跟理想值不一样呢？这是值得好好探究的问题。

1ADC在量化过程中会引入量化噪声。

理想的ADC原理框图如下所示：

理想的ADC应该是完全线性的，只对输入的有用信号(Signal)进行量化。然而根据信号处理的原理，量化过程会不可避免的引入量化噪声(Noise)，所以SNR(Signal to noise ratio)是ADC的主要性能指标之一。

而我们知道，理想的ADC现实中是不存在的，除了量化噪声，ADC还对输入信号额外增加了失真(Distortion)，典型的失真包括噪声、非线性输入特性以及增益和偏移误差等。

所以非理想的ADC原理框图就变成了如下所示：

其中噪声会直接降低ADC信噪比SNR，而非线性则引入了失真和谐波，进一步降低了潜在的信噪比SNR，例如12Bit ADC的ENOB实际往往只能达到10.5。且ENOB与频率相关，一般来说，频率越高导致的电路非线性越明显，ENOB实际值也越低。

2示波器ADC之前的有源器件也会引入失真和噪声。

首先，VGA(可变增益放大器)用于调节示波器的输入信号大小，优化ADC动态范围；

其次，中间的模拟滤波器是低通抗混叠滤波器；

前两者都会对输入信号引入失真。而且因为VGA模块里含有有源器件，在保证频率相关性的同时也引入了非线性；而模拟滤波器的频响经常也不太理想。这些因素都对示波器的前端设计最大限度的减少失真和噪声提出了挑战。

所以综上来看，衡量示波器的ENOB应该是整个示波器作为系统的SINAD相关的性能参数，也就是说ENOB 是可以通过测量SINAD来推算的。而测量ADC的ENOB的方法也在IEEE 1241-2010标准里进行了定义：

ENOB = 0.5log2(SINAD)+ 0.5log2(1.5) – log2(A/V)

其中SINAD=10*Log10(Ps/PN&D) 即信号与噪声加失真的功率比值，单位是dB;

A/V是信号的峰均比 (Crest factor) 。

实际应用当中，公式常简化为:

公式看起来似乎比较简单，那么是不是用示波器测量一个纯净的CW波去得到公式里面所需的参数，比如噪声和谐波的值就能推算出ENOB呢?实际上当我们尝试用示波器去测量ENOB的时候就会发现面临着诸多挑战。

第一，即使是最高质量的信号发生器，也很难产生完全没有失真的纯净正弦波；

如果要精确测量示波器的ENOB，就需要信号源的ENOB优于示波器的ENOB，否则示波器测的就是信号源的质量而非示波器的ENOB；所以信号源的选择很重要。

下面是R&S同一个示波器测量两个不同型号的信号源10MHz CW波的测量结果比较，发现明显第二个信号源的谐波要好很多。

第二，测量示波器的ENOB是输入波CW的函数，前面提到它跟频率相关，所以它实际应该是一条扫频曲线，而不是一个单一的数据，也就是说输入 10MHz和1GHz的CW波，测量出的示波器的ENOB值是不一样的。

下面是测量绘制的某示波器对不同频率CW波的ENOB示例：

第三，示波器ENOB测量值取决于一系列的示波器设置，设置发生变化，产生的结果也会不同：

信号路径的选择：50Ohm还是1MOhm；

垂直灵敏度的设置：1mV/div还是10mV/div还是其他；

带宽选择：带宽越大，噪声也越大，同时也增加了谐波和失真的潜在风险；

另外还有是否满量程设置、是否开启了滤波器等等。

由上面的介绍可知，ENOB对于示波器来说是一个N维的测量值。它是一系列的曲线图，每条曲线包含一组固定示波器设置下的扫频频率。所以如果是希望用一个简单的ENOB值做参考来比较示波器之间的性能，显然图表并不是比较友好的方式。尽管示波器厂家大多是以规格书的一些ENOB特定数值点做简化，但是不同厂家需要使用相同的数值点和设置，这些值才有比较的意义，但是现实情况往往并非如此，这也就增加了比较的难度。

综上所述，示波器的ENOB并不能简单的以ADC 的ENOB值来代替，也不是有限的一些特定数值点就可以概括所有的实际ENOB值，这是我们在日常谈论示波器性能时，需要特别留意的一点。

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