了解 ADC 位数与 ENOB - 示波器的信号完整性：第 1 部分
白皮书
ADC 位数与有效位数
示波器中的模数转换器（ADC）位数是最广为人知的技术指标之一。许多工程师将它视为决定示波器质量的唯一技术指标。但是，他们往往过于夸大 ADC 位数的重要性，而忽视了信号完整性的其他关键指标。
与 ADC 位数同样重要的是系统的有效位数（系统 ENOB）。系统 ENOB 是进行测量时的实际有效位数。在任意示波器中，有些 ADC 位是没有意义的，它们只能在噪声中工作。因此，决定示波器测量质量的是 ENOB 而不是 ADC 位数。如果测量质量太差，那么得到的结果是不准确的，而且无法复现。这样可能会导致您在设计中采取错误的假设。
ENOB 能够更好地指示信号完整性，因为它将系统误差也考虑在内。许多工程师没有听说过系统 ENOB。示波器厂商通常不会提到这个技术指标，因为打造高 ENOB 设计不像创造一台高位数 ADC 那么简单。ADC 周围的前端和支持电路设计也必须达到高质量，这不是一项简单的任务。厂商们自然更愿意宣传那些看起来最好的技术指标。因此，高 ADC 技术指标很重要。但是，您一定要重视信号完整性的其他要素。ADC 只是整个系统的一部分。
为什么要关注 ADC 位数或者是 ENOB？
由于量化级数（即 Q 级数）的存在，ADC 的位数很关键。位数越高，Q 等级就能越高。Q 等级越高，精度就越高，因为示波器可以捕获并显示更多的真实信号细节。当 ADC 将模拟信号转换为数字信号时，它只能在特定电平上进行转换。以图 1 为例，这是一个 2 位 ADC 的示意图。您有 2^2 = 4 个电平来数字化表示这个信号：11、10、01 和 00。现在，我们再用一个 3 位 ADC 来比较。它提供了 2^3（8 个）电平需要示波器处理。
如果同时使用 2 位 ADC 和 3 位 ADC 测量同一个信号，那么可以看到 3 位 ADC 提供了的细节更多（图 2）。示波器可以转换原始模拟信号的更多细节，当在屏幕上以数字方式重建并显示信号时，可以显示更多的信号细节。对于像 Keysight Infiniium S 系列这样的高性能示波器，10 位 ADC 应该可以实现1024 个 Q 等级的高精度。但是请注意，精度还取决于示波器其他部分的设计。测量系统的其他部分使得有效位数（ENOB）与 ADC 位数技术指标差别很大。S 系列使用 10 位 ADC。图 3 所示为 ENOB 数据，平均值约为 8 位。为什么我们的 ADC 是 10 位，而 ENOB 只有 8 位？
以 1.8 Vpp 信号为例。要测量该信号的话，垂直刻度应当设置为大约 2 V 满屏。使用10 位 ADC 的话，理论上您可以达到每个数字化电平 1.95 mV 的灵敏度。换句话说，您的垂直分辨率应当达到 1.95 mV。然而，由于测量系统中还有其他组件，并非全部 10 个 ADC 位都可真正用于测量。噪声和失真是影响有效位数的主要因素。如果示波器的随机噪声大于每个数字化电平 —在此例中就是高于 1.95 mV — 那么示波器就无法分辨噪声与实际信号。这基本上会使得该 Q 电平不适用，因此适用的 Q 电平数量会减少，结果当您执行测量时有效位数会下降。
我们没有办法构建一台不含噪声的示波器。这是不可能实现的目标。示波器始终都会有一定噪声，而这个噪声始终会影响到位数。因此我们要看的是有效位数而不仅仅是ADC 位数。同时考虑这两个技术指标能让您更好地了解仪器的整体测量质量。
这意味着我们还必须对示波器的基线噪声进行分析，确保它也很低。但是请注意，除了噪声之外，还有其他因素会影响 ENOB。虽然噪声是影响低 ENOB 技术指标的最大因素，但系统中的其他失真也会给它带来影响。另外还请记住，ENOB 技术指标没有将频率响应、增益精度或偏置精度等其他方面的误差考虑在内。因此您必须单独分析这些影响因素，以便全面了解示波器的精度。
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