评测示波器的垂直噪声特性

示波器垂直噪声特性详解与测量技巧

所有示波器都有一个缺点：在示波器的模拟前端和数字转换过程中存在垂直噪声。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，因此在大多数情况下，示波器带宽越宽，垂直噪声就越高。工程师在购买示波器时往往会忽视示波器的垂直噪声特征，但其实我们需要对垂直噪声指标进行仔细的评估，因为它们能够从以下几个方面影响信号的完整性测量。

• 引入幅度测量误差
• 在进行 sin(x)/x 波形重建时会增加不确定度
• 引入时间误差（抖动）
• 产生看起来很不好的“胖”波形

问题在于并非所有示波器厂家都在技术资料中给出垂直噪声技术指标/特征。即使有这些技术指标，它们也往往会造成误导，而且并不完整。本文比较了带宽从500 MHz 到 1 GHz 的多款示波器的垂直噪声特征。

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的数据越多，得到的峰峰值偏移就越高。由于这一原因，像垂直噪声和随机抖动这类随机现象应使用 RMS（标准偏差）值来进行定义和测量。

通常认为示波器的“基线本底噪声”是示波器置于最灵敏的 V/格设置（最低 V/格）时的噪声。但目前市场上的许多示波器在采用最灵敏的 V/格设置时带宽特征都有所降低。如前所述，示波器是一种宽带仪器，带宽越高，通常本底噪声也越高。所以当您比较各示波器在处于最灵敏的 V/格设置时的基线本底噪声特征时，您可能会把较低带宽的示波器与较高带宽的示波器做对比，这不具有可比性。您应把相同带宽的示波器放在一起，比较它们在最灵敏的 V/格设置下（此时可以提供完整带宽）的基线本底噪声。

许多示波器的评测者都犯了一个错误，即只测试示波器处于最灵敏 V/格设置时的基线本底噪声特征，并假定这一噪声幅度适用于所有的 V/格设置。但示波器本身实际上有两个噪声成分。一个是固定噪声，主要来自示波器前端衰减器和放大器。示波器最灵敏的全带宽 V/格设置处的基线本底噪声与该噪声成分非常近似。在示波器处于最灵敏设置时，这一噪声成分占据主要地位；但是当示波器处于不太灵敏的设置（较高 V/格）时，它是可以忽略的。

另一个噪声成分是基于示波器动态范围的相对噪声，由特定的 V/格设置确定。在示波器处于最灵敏设置时，这一噪声成分是可以忽略的；但是当示波器处于不太灵敏的设置（较高V/格）时，它将占据主要地位。虽然在示波器处于高 V/格设置时，波形并未表现出很大的噪声，但实际上的噪声幅度可能非常高。在确定了固定噪声成分（近似为基线本底噪声）和相对噪声成分后，您就能使用平方和的平方根公式估算中间 V/格设置处的噪声量。

测量噪声峰峰值

虽然因为噪声的随机性和无界性，使用有效值测量和比较噪声能够获得最好的结果，但是人们往往还想测量和比较噪声峰峰值。毕竟在示波器屏幕上看到的是噪声的峰值偏移，并且它在实时/非平均测量中引入了最大的幅度误差。为此，许多示波器用户更愿意比较和测量噪声峰峰值。但是由于随机垂直噪声在理论上是无界的，您必须首先针对要收集多少数据设定一个标准，然后依据该标准限定噪声峰峰值测量结果的资格。

由于只进行一次 1 M 点数据采集获得的峰峰值测量结果有可能或高或低，所以我们在每个 V/格设置上重复 10 次这样的 1 M 点噪声峰峰值测量。然后计算这些测量结果的平均值，得到采集 1 M 点数据的“典型”峰峰值噪声系数。尽管把每种示波器都设置为同样的时间/格标度，然后使用无限余辉显示模式在设定时间长度（例如 10 秒）内收集数据的方法非常有吸引力，但您应注意噪声峰峰值测试并不能使用这种较为直观的方法。当示波器采用相同的时基设置时，不仅存储器深度可能有极大不同，更新速率也可能存在着显著差异。例如，其他厂商的示波器具有 20 个波形/秒的更新速率，而 Keysight 3000T X 系列的更新速率则达到 1,000,000 个波形/秒。这意味着如果您收集10 秒的无限余辉波形，那么是德科技示波器所收集的噪声峰峰值测量数据数量上要多大约50,000 倍。如前所述，由于随机垂直噪声的随机性和高斯性，您收集的数据越多，噪声峰峰值测量结果就越大。

使用探头测量噪声

大多数示波器都配备 10:1 无源探头，这些探头可提供高达 1.5 GHz 的系统带宽（适用于 1.5 GHz 或更高带宽的示波器）。此外，更高带宽的示波器也可以使用有源探头，进一步增加带宽。无论您使用的是无源探头还是有源探头，探头本身都会增加一个额外的随机噪声成分。当前的数字示波器能自动检测探头的衰减系数并重新调整示波器的 V/格设置，以反映探头所引入的输入信号衰减。因此如果您正使用 10:1 探头，那么示波器所指示的 V/格设置将是示波器内部实际设置的 10 倍。换句话说，如果将连有 10:1 探头的示波器设置为 20 mV/格，那么示波器的输入衰减器和放大器的实际设置将是 2 mV/格。这意味着由于基线本底噪声实际上放大了 10 倍，所以您会观察到相对屏幕高度较高的噪声。如果您需要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，如果示波器的带宽受限于较灵敏的 V/格范围，则您需要知道取决于特定探头的衰减系数，这一带宽限制也可能适用于较高的V/格设置。

在噪声条件下进行测量

当您使用的示波器置于最灵敏的 V/格设置时，示波器固有的随机噪声有可能妨碍实际信号测量。然而您可以利用某些测量方法把示波器的噪声影响减少到最小。如果您测量电源的纹波和噪声，有可能要用到示波器最灵敏的那几个 V/格设置。首先，应按照前面描述的步骤尝试使用 1:1 探头，而不是使用仪器可能附带的标准 10:1 无源探头。其次，如果您要测量电源的有效值噪声，那么测量结果中将会包含示波器和探头系统所引入的噪声，它们有可能非常高。通过对信号（电源）和测量系统进行仔细表征，您可以扣除测量系统噪声成分，更准确地估计实际电源噪声（有效值）。

图 1 显示了在使用 Keysight 3000T X 系列示波器测量 1.97 V 电源时，使用 1:10无源探头在 50 mV/格设置下得到的噪声测量结果。图 2 显示了使用 1:1 无源探头在4-mV/格设置下进行同样测量的结果。您可以看到，噪声 RMS 值减少了 10 倍。我们使用 Keysight 3000T 系列示波器上的 1:1 无源探头测量这个有噪声的 1.97 V 电源，测得其噪声大约为 3.1 mV RMS。图 3 是使用同一个 1:1 无源探头单独对测量系统进行表征获得的噪声测量结果。当把探头地线连接到探头触针后，我们在 2 mV/格设置下测得的系统测量噪声大约为 1.36 mV RMS。现在，使用平方和的平方根公式，我们可以扣除这个测量系统噪声成分，得到电源噪声大约为 2.7 mV RMS。虽然对这个特定电源进行测量得到的结果除了包括随机成分外，可能还包括确定性/系统的干扰/噪声成分，如果确定性成分与示波器的自动触发没有关系，您就能利用这种方法来扣除测量系统的误差成分，得到与电源总体有效值噪声非常接近的结果。

您还能够在有较大随机测量系统噪声的条件下精确测量干扰的各个确定性/系统成分，例如电源开关或数字系统时钟干扰。通过使用示波器上的单独通道触发测量可疑的干扰源，您可以重复采集输入信号，然后计算平均值，去掉示波器/探头和输入信号所引入的所有随机噪声和干扰以及它们的非相关成分，最终获得电源特定干扰成分的高分辨率测量结果，甚至您可把示波器置于非常灵敏的 V/格设置，例如图 4 所示的 1-mV/格。此外，要想精确测量电源的平均直流成分，示波器必须具有足够的直流偏置范围。我们使用这种平均测量方法对同一个含有噪声的电源信号进行测量，测得该系统的 10 MHz 时钟（下方的绿色波形）引入了大约 1.4 mVp-p 的干扰。为了找到所有确定性（非随机性）干扰和纹波的来源，您需要把各种可疑的干扰源作为示波器的触发源来进行多次平均测量。

观察“胖”波形

某些示波器用户认为，数字存储示波器（DSO）的随机垂直噪声比模拟示波器的高，理由是DSO 上的迹线一般会比模拟示波器上的迹线宽。但是 DSO 的实际噪声电平并不比相同带宽模拟示波器的噪声电平高。对于模拟示波器技术而言，由于信号极端值很少出现，因此示波器上显示的垂直噪声随机极端值非常黯淡，或者根本看不到。尽管工程师们通常把示波器看作是一种显示电压－时间关系的简单的二维仪器，但由于模拟示波器采用扫描电子束技术，所以实际上还存在着第三个维度。第三维使用迹线亮度调制来显示信号的出现频次，这意味着模拟示波器实际上隐匿了或者在视觉上抑制了随机垂直噪声的极端值。传统的数字示波器无法显示第三个维度（亮度调制）。但当前出现的新数字示波器已经具有了亮度分级功能，显示质量与老式模拟示波器相差无几。

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