對示波器有過了解的朋友們，應(yīng)該都聽說過ENOB這個示波器的重要指標(biāo)。ENOB是英文The Effective Number of Bits的縮寫，翻譯為有效比特數(shù)，它是量化模數(shù)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的指標(biāo)，較高的ENOB意味著在模數(shù)轉(zhuǎn)換中記錄的電壓電平更精確。

那我們來看一下ENOB是如何影響模數(shù)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的。衡量ADC的指標(biāo)是Bit位數(shù)，這里以K來表示。就是用2的K次方個等級來對信號電壓進行量化和處理；假設(shè)K是10，那么意味著該ADC的量化電平為2的10次方，也就是1024個量化等級；對于同樣峰峰值大小比如1V的信號，量化等級越高，垂直分辨率越高，那么電平誤差自然也就越小。

以上是理論上理想ADC的ENOB=K，K是整數(shù)值，那么ENOB也是整數(shù)值。但是如果仔細去查看示波器（以R&S MXO5系列示波器為例) 的指標(biāo)手冊時會發(fā)現(xiàn)，ENOB的實際測量值卻很少是整數(shù)，一般都小于理想ADC的有效位，即ENOB<K：

為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢?

其實這里的ENOB值才是示波器實際能達到的ENOB值，由于ADC模塊只是示波器的一個組成部分，但是示波器作為一個很多射頻模塊組成的系統(tǒng)則會受很多因素的影響，導(dǎo)致ADC的性能并不能完全發(fā)揮出來，這樣一想確實有些道理。

但是究竟是哪些因素導(dǎo)致示波器的真實ENOB跟理想值不一樣呢？這是值得好好探究的問題。

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ADC在量化過程中會引入量化噪聲。

理想的ADC原理框圖如下所示：

理想的ADC應(yīng)該是完全線性的，只對輸入的有用信號(Signal)進行量化。然而根據(jù)信號處理的原理，量化過程會不可避免的引入量化噪聲(Noise)，所以SNR(Signal to noise ratio)是ADC的主要性能指標(biāo)之一。

而我們知道，理想的ADC現(xiàn)實中是不存在的，除了量化噪聲，ADC還對輸入信號額外增加了失真(Distortion)，典型的失真包括噪聲、非線性輸入特性以及增益和偏移誤差等。

所以非理想的ADC原理框圖就變成了如下所示：

其中噪聲會直接降低ADC信噪比SNR，而非線性則引入了失真和諧波，進一步降低了潛在的信噪比SNR，例如12Bit ADC的ENOB實際往往只能達到10.5。且ENOB與頻率相關(guān)，一般來說，頻率越高導(dǎo)致的電路非線性越明顯，ENOB實際值也越低。

2

示波器ADC之前的有源器件也會引入失真和噪聲。

首先，VGA(可變增益放大器)用于調(diào)節(jié)示波器的輸入信號大小，優(yōu)化ADC動態(tài)范圍；

其次，中間的模擬濾波器是低通抗混疊濾波器；

前兩者都會對輸入信號引入失真。而且因為VGA模塊里含有有源器件，在保證頻率相關(guān)性的同時也引入了非線性；而模擬濾波器的頻響經(jīng)常也不太理想。這些因素都對示波器的前端設(shè)計最大限度的減少失真和噪聲提出了挑戰(zhàn)。

所以綜上來看，衡量示波器的ENOB應(yīng)該是整個示波器作為系統(tǒng)的SINAD相關(guān)的性能參數(shù)，也就是說ENOB 是可以通過測量SINAD來推算的。而測量ADC的ENOB的方法也在IEEE 1241-2010標(biāo)準(zhǔn)里進行了定義：

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

其中SINAD=10*Log10(Ps/PN&D) 即信號與噪聲加失真的功率比值，單位是dB;

A/V是信號的峰均比 (Crest factor) 。

實際應(yīng)用當(dāng)中，公式常簡化為: 

公式看起來似乎比較簡單，那么是不是用示波器測量一個純凈的CW波去得到公式里面所需的參數(shù)，比如噪聲和諧波的值就能推算出ENOB呢? 實際上當(dāng)我們嘗試用示波器去測量ENOB的時候就會發(fā)現(xiàn)面臨著諸多挑戰(zhàn)。

第一，即使是最高質(zhì)量的信號發(fā)生器，也很難產(chǎn)生完全沒有失真的純凈正弦波；

如果要精確測量示波器的ENOB，就需要信號源的ENOB優(yōu)于示波器的ENOB，否則示波器測的就是信號源的質(zhì)量而非示波器的ENOB；所以信號源的選擇很重要。

下面是R&S同一個示波器測量兩個不同型號的信號源10MHz CW波的測量結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)明顯第二個信號源的諧波要好很多。

第二，測量示波器的ENOB是輸入波CW的函數(shù)，前面提到它跟頻率相關(guān)，所以它實際應(yīng)該是一條掃頻曲線，而不是一個單一的數(shù)據(jù)，也就是說輸入 10MHz和1GHz的CW波，測量出的示波器的ENOB值是不一樣的。

下面是測量繪制的某示波器對不同頻率CW波的ENOB示例：

第三，示波器ENOB測量值取決于一系列的示波器設(shè)置，設(shè)置發(fā)生變化，產(chǎn)生的結(jié)果也會不同：

信號路徑的選擇：50Ohm還是1MOhm；

垂直靈敏度的設(shè)置：1mV/div還是10mV/div還是其他；

帶寬選擇：帶寬越大，噪聲也越大，同時也增加了諧波和失真的潛在風(fēng)險；

另外還有是否滿量程設(shè)置、是否開啟了濾波器等等。

由上面的介紹可知，ENOB對于示波器來說是一個N維的測量值。它是一系列的曲線圖，每條曲線包含一組固定示波器設(shè)置下的掃頻頻率。所以如果是希望用一個簡單的ENOB值做參考來比較示波器之間的性能，顯然圖表并不是比較友好的方式。盡管示波器廠家大多是以規(guī)格書的一些ENOB特定數(shù)值點做簡化，但是不同廠家需要使用相同的數(shù)值點和設(shè)置，這些值才有比較的意義，但是現(xiàn)實情況往往并非如此，這也就增加了比較的難度。

綜上所述，示波器的ENOB并不能簡單的以ADC 的ENOB值來代替，也不是有限的一些特定數(shù)值點就可以概括所有的實際ENOB值，這是我們在日常談?wù)撌静ㄆ餍阅軙r，需要特別留意的一點。