IEEE在1993年將有效位數（ENOB） 確立為衡量示波器信號完整性和精度的技術指標。

示波器ADC 位數與有效位數

示波器中的模數轉換器（ADC）位數是最廣為人知的技術指標之一。許多工程師將它視為決定示波器質量的唯一技術指標。但是，他們往往過于夸大ADC位數的重要性，而忽視了信號完整性的其他關鍵指標。 與 ADC 位數同樣重要的是系統的有效位數（系統 ENOB）。系統 ENOB 是進行測量時的實際有效位數。在任意示波器中，有些 ADC 位是沒有意義的，它們只 能在噪聲中工作。因此，決定示波器測量質量的是 ENOB 而不是 ADC 位數。如果測量質量太差，那么得到的結果是不準確的，而且無法復現。這樣可能會導致您在設計中采取錯誤的假設。

ENOB 能夠更好地指示信號完整性，因為它將系統誤差也考慮在內。

許多工程師沒有聽說過系統 ENOB。示波器廠商通常不會提到這個技術指標，因為打造高 ENOB 設計不像創造一臺高位數 ADC 那么簡單。ADC 周圍的前端和支持電路設計也必須達到高質量，這不是一項簡單的任務。

廠商們自然更愿意宣傳那些看起來最好的技術指標。因此，高 ADC 技術指標很重要。 但是，您一定要重視信號完整性的其他要素。ADC 只是整個系統的一部分。

為什么要關注 ADC 位數或者是 ENOB？

由于量化級數（即 Q 級數）的存在，ADC 的位數很關鍵。位數越高，Q 等級就能越 高。Q 等級越高，精度就越高，因為示波器可以捕獲并顯示更多的真實信號細節。

當 ADC 將模擬信號轉換為數字信號時，它只能在特定電平上進行轉換。以圖 1 為例， 這是一個 2 位 ADC 的示意圖。您有 2^2 = 4 個電平來數字化表示這個信號：11、 10、01 和 00。

圖 1. 2 位 ADC 的數字化級數顯示

現在，我們再用一個 3 位 ADC 來比較。它提供了 2^3 （8 個）電平需要示波器處理。 如果同時使用 2 位 ADC 和 3 位 ADC 測量同一個信號，那么可以看到 3 位 ADC 提 供了的細節更多（圖 2）。示波器可以轉換原始模擬信號的更多細節，當在屏幕上以數 字方式重建并顯示信號時，可以顯示更多的信號細節。

圖 2. 3 位 ADC 的數字化級數顯示

對于像 Keysight Infiniium S 系列這樣的高性能示波器 （原安捷倫示波器），10 位 ADC 應該可以實現 1024 個 Q 等級的高精度。但是請注意，精度還取決于示波器其他部分的設計。

測量系統的其他部分使得有效位數（ENOB）與 ADC 位數技術指標差別很大。S 系列使用 10 位 ADC。圖 3 所示為 ENOB 數據，平均值約為 8 位。為什么我們的 ADC 是 10 位，而 ENOB 只有 8 位？

圖 3. S 系列 DSOS104A 1 GHz 實時示波器從 100 MHz 到 1 GHz 的 ENOB 平均為 8 位左右，這確保您始終可以獲得極高的信號完整性。

以 1.8 Vpp 信號為例。要測量該信號的話，垂直刻度應當設置為大約 2 V 滿屏。使用 10 位 ADC 的話，理論上您可以達到每個數字化電平 1.95 mV 的靈敏度。換句話說，您的垂直分辨率應當達到 1.95 mV。

然而，由于測量系統中還有其他組件，并非全部 10 個 ADC 位都可真正用于測量。噪聲和失真是影響有效位數的主要因素。如果示波器的隨機噪聲大于每個數字化電平 — 在此例中就是高于 1.95 mV — 那么示波器就無法分辨噪聲與實際信號。這基本上會使得該 Q 電平不適用，因此適用的 Q 電平數量會減少，結果當您執行測量時有效位數會 下降。

我們沒有辦法構建一臺不含噪聲的示波器。這是不可能實現的目標。示波器始終都會有一定噪聲，而這個噪聲始終會影響到位數。因此我們要看的是有效位數而不僅僅是 ADC 位數。同時考慮這兩個技術指標能讓您更好地了解儀器的整體測量質量。

這意味著我們還必須對示波器的基線噪聲進行分析，確保它也很低。但是請注意，除了噪聲之外，還有其他因素會影響 ENOB。雖然噪聲是影響低 ENOB 技術指標的最大因素，但系統中的其他失真也會給它帶來影響。

另外還請記住，ENOB 技術指標沒有將頻率響應、增益精度或偏置精度等其他方面的誤差考慮在內。因此您必須單獨分析這些影響因素，以便全面了解示波器的精度。

圖 4. S 系列示波器在 1 mV/格標度和 1 GHz 帶寬下只能測量 90 uV 的噪聲。

系統 ENOB 與 ADC ENOB

另一個重要而細微的區別是系統 ENOB 和 ADC ENOB 之間的區別。由于系統 ENOB 通常不引人矚目，所以某些廠商會將 ADC ENOB 列在技術資料上。有些人看到“ENOB”就想當然地認為它就是自己需要的技術指標。然而事實上卻不是這樣。

圖 5. 示波器從探頭到 ADC 的信號路徑。

ADC ENOB 指的是 ADC 的有效位數，并且僅僅是針對 ADC。而我們都知道，示波器不僅僅包含 ADC。測量系統中還有其他同樣重要的元器件，比如探測解決方案。 ADC ENOB 不能代表整個示波器測量系統使用的位數，而后者才是對測量非常關鍵的參數。系統 ENOB 是顯示和測量信號時傳達信息的位數。

如果您看到系統 ENOB 是一個數值的話，請注意這是一個平均值。在索取這一數據時，最好是要到一個圖形，其中包含根據示波器帶寬范圍內的各個頻率繪制的一系列數據，如圖 3 所示。您可以據此確定示波器在整個帶寬范圍內具有足夠的 ENOB。

您也可以使用 PSG 和 MATLAB 腳本來測量示波器的系統 ENOB。但是，您最好與是德科技工程師一起根據您的特定示波器型號和帶寬來定制測量腳本。、

總結

原則：不要僅根據 ADC 技術指標就做出采購決策。ADC 位數很重要，因為它意味著數字化測量更多。但是，如果示波器的其他部分設計不正確的話，ADC 位數再高也沒用。

在設計示波器時，想要讓精度達到您和客戶的需求，必須深入了解 ENOB 及其對測量的意義。高 ENOB 可以提供更準確的波形、更精確且可重復的測量，以及更寬的眼圖和更少的抖動。

通常，只要選擇 ENOB 高的示波器，您就能獲得更好的信號完整性。但是，請務必將其他重要的技術指標也考慮在內，例如基線噪聲和偏置精度。

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無論您是在調試最新設計，驗證是否符合行業標準還是在解碼串行總線，示波器顯示信號的真實性至關重要。這就要求示波器具備出色的信號完整性，而 Infiniium S 系列示波器的設計就考慮到了這一點。這一系列示波器具有卓越的時基、前端和 ADC 技術模塊，可以提供一個具有極低噪聲、低抖動和高有效位數的平臺，讓您能夠直觀地了解器件的真實性能。

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? V 系列示波器（8 GHz 至 33 GHz）

? Z 系列示波器（20 GHz 至 63 GHz）

? UXR 系列示波器（13 GHz 至 110 GHz）

總結

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