评估示波器的垂直噪声特性

引言
　　所有示波器都有一项不受欢迎的特性：存在于示波器前端和数字化过程中的垂直噪声。测量系统噪 声将降低您的实际信号测量精度， 特别是在测量低电平信号和噪声时。由于示波器是一种宽带测量仪器，示波器带宽越宽，多数情况下垂噪声也越高。虽然工程师在购买示波器时会了解示波器的垂直噪声特性，但对这些特性应进行仔细的评估，因为它能经几种途径影响信号完整性。垂直噪声会：
　　1. 引入幅度测量误差
　　2. 引入sin(x)/x 波形重建不确定度
　　3. 引入作为输入信号沿压摆率函数的定时误差（抖动）
　　4. 造成可观察到的不良“胖”波形

　　可惜并非所有示波器厂家都在技术资料中给出垂直噪声指标 / 特 性。即使有这项指标，它也往往会造 成误导，并且是不完整的。本文比较了 Agilent、Tektronix 和 LeCroy 所 制造500MHz至1GHz带宽范围示波器的垂直噪声特性。此外还讲述了当存在相对高测量系统噪声（示波 器噪声）电平时，如何对低电平信号 进行更精确噪声和干扰测量的有用技巧。

什么是噪声，应如何测量噪声
　　随机噪声有时也称白噪声，它在理论上是无界的，并服从高斯分 布。无界意味着由于噪声固有的随 机性，您在噪声表征测量中收集数 据越多，就会得到越高的峰峰偏移。 由于这一原因，像垂直噪声和随机抖动这类随机现象就应使用有效值（标准偏差）进行定义和测量。表 1 示出四种竞争500MHz 带宽示波器的有效值噪声本底测量值。每一种示波器都使用 50Ω 端接，设置为使用各示波器规定的最高采样率，在无信号连接条件下采集波形。
　　也请参看附录 A 中竞争 1GHz 带宽示波器的有效值噪声本底测量 结果。
　　通常认为示波器的“基线噪声 本底”是示波器置于最灵敏设置（最 低 V/div）时的噪声电平。但今天市 场上的许多示波器在最灵敏 V/div 设 置时有降低的带宽特性。如前所述，示波器是一种宽带仪器，带宽越高，通常噪声本底也越高。所以在您比较各示波器最灵敏 V/div 设置处的基线噪声本底特性时，您可能是在 把较低带宽示波器与较高带宽示波 器作比较，这不是同类事物的比较。 应在各示波器提供全带宽的最灵敏 V/div 设置处比较相同带宽的基线噪声本底。
　　许多示波器的评估者错误地仅测试示波器最灵敏设置时的基线噪声本底特性，并假定这一噪声幅度 适用于所有V/div 设置。示波器中实际有两个固有的噪声成分。其一是主要由示波器前端衰减器和放大器所贡献的固定噪声电平。示波器最 灵敏 V/div 设置处的基线噪声本底 是该噪声成分的很好近似。这一噪声成分居最灵敏设置时的支配地位，但示波器在不太灵敏设置（较高 V/ div）处使用时，这一噪声成分是可 以忽略的。
　　第二项噪声成份是基于示波器动态量程的相对噪声电平，它由特定 V/div 设置确定。当示波器置于最 灵敏设置时，可以忽略这项噪声，它 主要影响不太灵敏的设置。虽然示波器在高 V/div 设置时，波形并未表现出很大的噪声，但实际噪声幅度 可能相当高，您可比较表1中 1V/div 与10mV/div 测量的噪声电平。 Agilent MSO6054A 的这一相对有效值噪声成分近似为V/div 设置的 2%。 而 Tektronix 和 LeCroy 的 500MHz带宽示波器的相对有效值噪声成分 则为量程的3% - 4%。
　　在确定了固定噪声成分（近似 为基线噪声本底）和相对噪声成分后，您就能使用平方和的平方根公 式估计中间 V/div 设置下的噪声量。 从表 1 中的噪声测量结果可看到在 大多数V/div 设置下， Agilent MSO6054A 具有总体上最低的噪声特性。

测量峰峰噪声
　　虽然使用有效值能得到评估和比较噪声的最好结果，但人们也往 往想测量和比较峰峰噪声。因为毕 竟示波器屏幕上看到的是峰峰偏移，并且它在实时 / 非平均测量中造成 最大的幅度误差。基于这一原因，许 多示波器用户更愿意比较和测量峰 峰值噪声。由于随机垂直噪声在理 论上是无界的，您必须首先建立收 集多少数据的判据，然后依据该判 据获得峰峰噪声测量结果。表 2 示 出对四种 500MHz 示波器收集 1M 点数字化数据的峰峰噪声测量。也 请参看附录 B 对富竞争价的 1GHz 带宽示波器的峰峰噪声测量结果。
　　注意因TDS3054B（10 k 点）只 有有限的存储器深度，对 1M 采集 点作峰峰噪声表征测量是一项非常 困难的任务。为在各 V/div 设置下获得总共 1M 点的总采集数据量， 仪器要用无限余辉累积约 100 次采 集。其它被测示波器有较深的采集 存储器，一次采集就能收集到 1M 数据点。
　　由于一次特定的 1M 数据点采 集（ TDS3054B 为一组采集）有可 能产生或高或低的峰峰测量结果， 我们对每一 V/div设置重复 10 次 1M 点的峰峰噪声测量。然后对测量结 果平均，得到对采集 1M 数据点的“典型”峰峰噪声系数。 如这张表格所示，Agilent 6000 系列示波器在全带宽 V/div 设置下 有最低的总峰峰噪声电平（基于 1M 数据点）。而 Tektronix 和 LeCroy 的500MHz 带宽示波器在大多数设置 处有高得多的峰峰噪声电平。
　　虽然把各种示波器设置于同样的时间 / 格，然后用无限余辉模式在 所设置的时间量，例如10 秒内收集 数据是很诱人的，但您应注意峰峰 噪声测试并不能使用这种更为直观 的方法。不仅是存储器深度明显不同，更新率也存在着显著差异。例如若您从默认设置条件开始，然后将 Tektronix TDS5054B和Agilent MSO6054A 设置为20ns/div ， Tektronix 示波器将以约 30 波形 / 秒的速率采集和更新波形。由于采用 MegaZoom III 技术的 Agilent 6000 系列有极快的波形更新率，它将以 约 100,000 波形 / 秒的速率更新波 形。这意谓着如果您收集 10 秒的无 限余辉波形，Agilent示波器收集的 峰峰噪声测量数据要多约 3000 倍。 如前所述，由于随机垂直噪声的随 机和高斯本性，峰峰噪声会随收集 数据的增加而增大。

用探头测量噪声
大多数示波器都配有可提供 600MHz 系统带宽的 10:1 无源探头（对于600MHz或更高的示波器）。更 高带宽示波器也可能用有源探头实 现更高的带宽。无论您是使用无源 探头还是有源探头，探头本身都将 增加附加的随机噪声成份。今天的数字示波器能自动检测探头的衰减 系数和重新调整示波器的 V/div 设 置，以反映探头所引入的信号衰减。 因此如果您正使用 10:1 探头，示波器所指示的 V/div设置将是示波器内 部实际设置的 10 倍。也就是说如果接有 10:1 探头示波器的设置为 20mV/div，那么示波器中输入衰减 器和放大器的实际设置将是 2mV/ div。这意味着由于基线噪声本底放 大了10 倍，因此会观察到相对屏幕 高度较高的噪声电平。如果您进行 重要的低电平信号测量，例如测量 电源纹波，就应考虑使用 1:1 无源探头。此外，如果示波器带宽受限于较 灵敏的 V/div量程，则需了解特定探头的衰减系数，因为这一带宽限制 也可能施加到较高的 V/div 设置。

在噪声条件下测量
　　当您所使用的示波器置于最灵敏 V/div设置时，示波器的固有随机 噪声有可能掩盖掉实际信号测量。但您可利用某些测量技术把示波器 的噪声影响减到最小。在您测量电源纹波和噪声电平时，有可能要用 到最灵敏的那几个量程。首先应如 前面所述的那样尝试使用 1:1 探头，而不要用仪器随带的标准 10:1 无源探头。其次是如果您要测量电源的有效值噪声，测量结果中也包括了示波器和探头系统的噪声贡献，它 们有可能相当高。但通过仔细表征 信号（电源）和测量系统，就能扣除 测量系统噪声成分，而得到对实际 电源噪声（有效值）的更精确估计。
　　通过使用 Agilent 6000 系列示 波器约 4.7V 的直流偏置，图 1 示出 用 1:1 无源探头在 10 mV/div 设置 下所进行的电源噪声测量。注意500MHz 和 1GHz Tektronix 和 LeCroy 示波器的文件中规定在接 入 1:1 无源探头和低于50mV/div 的设置时，对输入信号的偏置不能大于 ± 1 V 。 这意味着在用 Tektronix 或LeCroy 示波器进行5V 电源的噪声测量时，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 制而必须采用交流耦合时，结果中 将去除掉电源的直流成分，而不能进行精确的测量。
我们用装上 1:1 无源探头的 Agilent 示波器，对嘈杂的 5V 电源所测到的噪声约为 1.5 mV RMS。图2 是使用相同 1:1 无源探头对测量 系统噪声所作的噪声表征。由于探 头地线直接接到探头触针处，在10mV/div 设置下测量到的系统噪声 约为 480V RMS 。因使用的 1:1 探 头增加了附加的噪声成分，所以这 一示波器 / 探头噪声测量结果高于表1所示的噪声系数（ 250 V RMS）。此外我们使用的是 1MΩ 输 入端接，而不是原来的 50Ω端接（用 于表 1 中的基线有效值噪声测量）。 现在用平方和的平方根公式扣除这 一测量系统噪声成分，结果表明该 电源的噪声约为 1.4 mV RMS。[page]
　　虽然这一特定电源测量除了随 机成分外，还可能包括确定性 / 系统 性的干扰 / 噪声成分，但如果确定性 成分与示波器的自动触发没有相关 性，就能利用这项技术扣除测量系 统的误差成分，得到对电源总有效 值噪声的非常接近的近似值。
　　干扰的各确定性 / 系统性成分， 例如开关电源或数字系统时钟干扰，也能在存在高随机测量系统噪声的条件下进行精确的测量。您能用示 波器单独通道上的可疑干扰源触发， 重复采集输入信号，通过平均去掉 由示波器 / 探头和输入信号贡献的 所有随机和非相关噪声和干扰成分。 其结果将是对电源特定干扰成分的 高分辨率测量，甚至您可把示波器 置于非常灵敏的 V/div 设置，例如 图 3 所示的 2 mV/div。此外，对电源的平均直流成分进行精确测量要 求示波器有足够的直流偏置范围（只有 Agilent 示波器能达到）。 对同样嘈杂电源信号使用这项 平均测量技术，我们测量到系统10MHz 时钟（下方的绿色波形）引 入近似为 4.9mVp-p 的干扰。为找 到所有确定性（非随机性）的干扰 和纹波，您需要把各种可疑干扰源作为示波器的触发源，进行多次平均测量。



观察“胖”波形
　　一些示波器的使用者相信数字 存储示波器（DSO）的随机垂直噪声 电平高于较老的模拟示波器。之所 以得出这一结论，是因为 DSO 上的 迹线一般要比模拟示波器宽。但 DSO 的实际噪声电平并不比模拟示 波器高。对于模拟示波器技术而言， 由于信号极端值很少出现，因此所 显示的随机垂直噪声的极端值或是 非常黯淡，或是根本看不到。虽然工 程师一般认为示波器是一种显示电压 — 时间的二维仪器，但由于模拟 示波器采用扫描电子束技术，所以 还存在着第三个维度。第三维用迹 线亮度调制显示信号的出现频度， 从而意味着模拟示波器实际上隐匿 了，或在视觉上抑制了随机垂直噪 声的极端值。
　　传统数字示波器缺乏显示第三个维度（亮度调制）的能力。但今天 的某些新型数字示波器已有了更接近老式模拟示波器显示质量的亮度分级能力。采用 MegaZoom III 技术的 Agilent 最新 6000系列示波器具有示波器行业中最高的亮度分级， 它把 256 级亮度映射到 XGA 显示。 图 4 示出在 10mV/div 设置下，用100% 亮度捕获的低电平 10MHz 信 号。这幅屏幕代表没有亮度分级能力的老式数字示波器显示。由于没 有亮度分级，示波器显示展示的是 极端峰峰噪声的“胖”波形。但在10mV/div 设置下所测相对低输入信 号（约为 50mVp-p）的“厚度”主要源于固有的示波器噪声 —而非输 入信号噪声。图 5示出的是相同 10MHz 信号，但现在把亮度调到20% ，以更好地模仿天然抑制极端 噪声的模拟示波器显示。我们现在 能在相对灵敏 V/div 设置下，观察 到没有示波器固有噪声影响的更“清晰”波形。此外，我们现在还能 看到各种波形细节，例如在正弦波正峰顶上的“摆动”，这在以前恒定 亮度（100%）的观察中因为相对高 的示波器噪声电平而被掩盖掉了。
　　有关示波器显示质量所带来好处的更详细讨论，请下载 Agilent 应用指南 1552“示波器显示质量对发现信号异常能力的影响”。
　　如果您采集的是重复输入信号， 就能像图3所示的例子那样，代之以通过波形平均消除测量系统的随 机信号噪声。对于实时/单次应用（不能使用重复平均），有些示波器提供高分辨率的采集模式。采用这项技术，您就能通过 DSP/ 数字滤波 过滤掉单次采集中的高频噪声和干扰成分，把垂直分辨率增加到12bit，此时付出的代价是测量系统的带宽。






总结
　　当您评估欲购买的各种示波器时，一定要仔细考虑示波器的固有噪声特性。并非所有示波器的这项指标均相一致。示波器的垂直随机噪声不仅会使测量精度下降，它还可能影响观察数字信号的质量。在您评估示波器噪声特性时，必须要在同样的测量判据下仔细地设置被测示波器，这些判据包括相同带宽的示波器、相同的 V/div 设置（具有全带宽）、相同的采样率、相同的存储器深度和相同的采集数。
　　如本文所述， 与业内其它500MHz - 1GHz 示波器相比， Agilent DSO/MSO 6000 系列和 54830 系列 Infiniium 示波器在总体上有最低的噪声特性 。 此外 ， 采用MegaZoom III 技术的 Agilent 6000 系列示波器以256级亮度提供最 高分辨率的显示质量，可用于观察 受抑制的示波器固有噪声的随机极 端值。
　　您能采用各种不同测量技术，如数学计算、波形平均、DSP 滤波和显示亮度分级最小化，甚至消除测量系统噪声成分，从而更精确地 测量系统中的低电平随机性和确定性噪声成分。
　　虽然本文仅着重探讨的是500MHz 和 1GHz 带宽示波器噪声 测量比较，但其原则也适用于任何带宽的示波器—无论是更高还是更低的带宽。事实上，Agilent 的更高带宽12GHz DSO81204A 示波器具 有这一带宽范围示波器中最低的固 有内部测量系统噪声，其噪声电平 甚至不高于当前市场上的 1GHz 示 波器。 由于采用低功率集成电路（IC）技术实现了更高集成度， Agilent还能达到更低的测量噪声性 能水平。
　　还应注意在对随机垂直示波器 噪声的评估中，只取了极有限的样 本量。为测试所选的所有示波器都 是各厂家当前生产的产品。我们只测试了通道 1，因为这是工程师最常使用的通道。虽然我们不能确保 文中所述的测量具有典型性，但我 们仍认为这些测量结果代表了各示 波器厂家当前生产的产品。

术语表
基线噪声本底:在示波器最灵敏 V/div 设置下所测的有效值噪声电平 
Sin(x)/x:重建一种软件滤波特性，它以更高的数据分辨率重建样本波 形，从而更精确地代表符合 Nyquist准则的原未采样输入波形
噪声本底:在示波器各V/div 设置下所测的有效值噪声电平
随机噪声:服从高斯分布的无界噪声
动态范围:数字存储示波器（DSO）模数转换器的满度范围，它取决于示波器的 V/div 设置，在大多数示波器中，它的变化范围通常为 8 格峰峰（全屏）到 10 格峰峰（全屏＋ 20%）
峰峰噪声:根据特定判据的示波器峰峰噪声，这些判据如时间、采集数 和 / 或采集存储器深度
有效值噪声:作为标准偏差的所测随机噪声
无限余辉:数字存储示波器（DSO）的一种常用显示模式，它累积和显示 所有采集，以示出信号最坏条件偏差
高斯分布:典型的钟形曲线统计分布
确定性:系统性误差 / 噪声源，它是有界的
迹线亮度调制 / 分级:示波器特定时间位置处的显示亮度随频度而变
DSP:数字信号处理
MegaZoom III:一项 Agilent 专利技术，它提供迹线亮度分级、快波形更 新率和响应敏捷的深存储器