在選擇用于獲取電子信號(hào)的數(shù)字化儀時(shí)，考慮的主要規(guī)格往往是采樣率,，帶寬和分辨率,。前兩個(gè)參數(shù)有助于定義數(shù)字化儀能夠捕獲的最大頻率內(nèi)容,。作為精確和可重復(fù)測(cè)量的一般指南,，用戶通常嘗試以比其最高頻率快10倍的采樣速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,。例如,，以大約100MS/s的速率采樣10MHz信號(hào)，確保數(shù)字化信號(hào)具有足夠的時(shí)間分辨率準(zhǔn)確再現(xiàn),。類似地,，為了確定信號(hào)不會(huì)被無(wú)意衰減（丟失幅度信息），用戶通常希望數(shù)字化儀的模擬帶寬至少比其最高信號(hào)頻率高2至5倍,。因此,，測(cè)量10MHz信號(hào)通常需要20至50MHz的帶寬。

采樣率和帶寬對(duì)于顯示信號(hào)的時(shí)間和頻率內(nèi)容是十分重要的,，而分辨率是第三個(gè)參數(shù),，它是檢測(cè)幅度變化和顯示波形細(xì)節(jié)的重要參數(shù)。然而,，許多人很容易將分辨率與準(zhǔn)確性,，精度和靈敏度相混淆。雖然它會(huì)對(duì)這些參數(shù)產(chǎn)生重大影響,，但并不能反應(yīng)全部的情況,。用戶需要考慮數(shù)字化儀誤差的所有可能來(lái)源（如時(shí)鐘精度，失真,，噪聲和線性度）,，以了解產(chǎn)品在測(cè)量其特定信號(hào)類別時(shí)的性能。為了確定這些錯(cuò)誤的影響,，好的數(shù)字化儀制造商提供了許多輔助規(guī)格（通常稱為動(dòng)態(tài)參數(shù)）來(lái)演示其模型在各種受控測(cè)試條件下的性能,。

圖1 M4i.4451-x8數(shù)字化儀

什么是分辨率？

所有數(shù)字化儀制造商都以位為單位指定分辨率,，表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在其滿量程（FS）輸入范圍內(nèi)可以分辨多少級(jí),。級(jí)別數(shù)為2n，其中n為ADC的位數(shù),。因此,，一個(gè)8位ADC具有256個(gè)電平,，而更高分辨率的16位ADC具有65,536個(gè)電平,。

辨別級(jí)別通常稱為最低有效位（LSB），由等式1LSB=FS/2n定義,。表1總結(jié)了一系列分辨率從8位到16位的數(shù)字化儀的理論LSB性能,。在此示例中，滿量程范圍為1V,。

表1 不同ADC分辨率的步長(zhǎng)

該表顯示,，更高分辨率的ADC能夠以更精確的電壓階躍進(jìn)行測(cè)量。但是,，它并不表示任何誤差源（例如時(shí)鐘抖動(dòng),，噪聲和ADC非線性）可能會(huì)對(duì)理論性能產(chǎn)生影響,。想進(jìn)一步了解，我們還需要檢查數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)參數(shù),，才能確定單位的實(shí)際表現(xiàn),。

信噪比

想知道數(shù)字化儀在檢測(cè)隱藏在較大信號(hào)中的小信號(hào)（低電平）時(shí)的性能如何，需要檢查數(shù)字轉(zhuǎn)換器的SNR（而不僅僅是分辨率）,。SNR是一種將所需信號(hào)的幅值與背景噪聲幅值進(jìn)行比較的度量值,。SNR通常以分貝（dB）表示，并通過(guò)以下公式計(jì)算

SNR(dB)=10log10(Psignal/Pnoise),，其中P是平均功率,。如果測(cè)量以伏特或安培為單位的信號(hào)和噪聲幅度，則可以通過(guò)對(duì)RMS幅度測(cè)量值進(jìn)行平方來(lái)獲得比例功率SNR(dB)=10log10[(Asignal/Anoise)2]

考慮數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)性能和范圍時(shí),，實(shí)際上測(cè)量信號(hào)電平（并非總是最大）與噪聲之比的SNR,，通常提供比單位理論LSB更真實(shí)的值。同樣重要的是SNR會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)而變化,。這樣,，為了表示數(shù)字化儀的性能，制造商應(yīng)在各種測(cè)試條件下使用定義明確的參考信號(hào)來(lái)測(cè)量SNR,。表2顯示了在制造過(guò)程中測(cè)試M4i.4451-x8,、500MS/s，14位數(shù)字化儀（圖1）SNR的示例,。測(cè)量中使用了3個(gè)不同的信號(hào)頻率（10,、40和70MHz）以及不同的滿量程范圍。這些測(cè)量結(jié)果使用戶可以快速判斷在類似測(cè)試條件下的預(yù)期性能,，然后在使用自己的特定信號(hào)時(shí)考慮其含義,。根據(jù)制造商的要求，可以提供更多不同設(shè)置的結(jié)果,。

表2 M4i.4451-x8數(shù)字化儀數(shù)據(jù)表中的動(dòng)態(tài)參數(shù)

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

確定數(shù)字化儀檢測(cè)低電平信號(hào)的適用性時(shí)要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)是SFDR,。雜散信號(hào)是測(cè)量波形中存在，輸入波形中不存在的任何信號(hào)分量,。雜散組件是一種異常,，通常是由數(shù)字化設(shè)備本身生成的。制造商通常通過(guò)輸入純正弦波,，將其數(shù)字化,，然后使用快速傅立葉變換在頻域中對(duì)其進(jìn)行檢查來(lái)確定SFDR。然后,，通過(guò)查看純正弦波的RMS值與峰值雜散信號(hào)之間的差異（以dB表示）來(lái)測(cè)量SFDR,。SFDR很重要，因?yàn)樗宄刂甘玖丝梢耘c較大信號(hào)區(qū)分開(kāi)的最小信號(hào)值。

圖2

圖2顯示了使用M4i.4451-x8數(shù)字化儀進(jìn)行的SFDR測(cè)量,。此外,，SFDR測(cè)量可以在有無(wú)輸入信號(hào)諧波的情況下進(jìn)行。表2顯示了在各種不同的測(cè)試條件下獲得的SFDR結(jié)果,。

總諧波失真（THD）

數(shù)字化儀能否捕獲和再現(xiàn)信號(hào)的效果還取決于在此過(guò)程中產(chǎn)生波形的失真程度,。當(dāng)信號(hào)通過(guò)單元的主要組件，例如信號(hào)調(diào)節(jié)電路（放大器和衰減器）和ADC本身,，它會(huì)受到非線性和濾波的影響,。為了了解信號(hào)可能失真的程度，數(shù)字化儀制造商通常提供單位THD的度量值,。與SNR和SFDR一樣,，THD通常通過(guò)使用多種純參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。然后通過(guò)檢查一組高次諧波頻率的RMS振幅與參考信號(hào)基頻的RMS振幅之比來(lái)確定,。該值使用以下公式計(jì)算THD=Σharmonic powers/fundamental frequency power=(P2+P3+P4+….+Pn)/P1

表2列出了在M4i.4451-x8數(shù)字化儀在各種不同測(cè)試條件下獲得的THD結(jié)果,。超過(guò)采樣速率1/2 的FFT帶寬的快速輸入信號(hào)的諧波被視為進(jìn)入較低頻率的鏡像信號(hào)。通常,，由于噪聲水平以上看不到較高的諧波含量,，因此總共要考慮6個(gè)諧波。

噪聲和失真比信號(hào)（SINAD）

SINAD（有時(shí)也稱為T(mén)HD+N）參數(shù)非常有用,，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量總接收功率（通常來(lái)自參考信號(hào)）與噪聲加失真功率的比值來(lái)查看SNR和失真,。可以由等式SINAD=(Psignal+Pnoise+Pdistortion)/(Pnoise+Pdistortion)計(jì)算,。表2顯示了M4i.4451-x8數(shù)字化儀的在各種不同測(cè)試條件下獲得的SINAD結(jié)果,。

有效位數(shù)（ENOB）

ENOB可能是數(shù)字化儀最有價(jià)值的動(dòng)態(tài)參數(shù)之一。該性能指標(biāo)旨在將數(shù)字化儀的測(cè)量性能（包括信號(hào)路徑的所有元素）與理想ADC的性能進(jìn)行比較,。ENOB很重要,，因?yàn)樗谧罱K結(jié)果中結(jié)合了可能的誤差源（時(shí)鐘抖動(dòng)、噪聲,、失真等）,。也可以用SINAD計(jì)算ENOB，ENOB=(SINAD–1.76)/6.02,。由于ENOB以位為單位,，因此可以與數(shù)字化儀規(guī)定的分辨率進(jìn)行比較。表2也顯示了M4i.4451-x8數(shù)字化儀在多個(gè)測(cè)試條件下測(cè)得的ENOB值,。有時(shí)僅基于SNR給出ENOB,，而不考慮THD分量，但最好同時(shí)將兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行比較,。

在此重要的是要了解，ENOB可能會(huì)受到輸入測(cè)試信號(hào)頻率的嚴(yán)重影響。隨著頻率的增加,，ENOB通常會(huì)降低,。因此，比較不同的數(shù)字化儀時(shí),，在類似的測(cè)試條件下檢查其ENOB至關(guān)重要,。也就是說(shuō)，隨著頻率的提高,，一些數(shù)字化儀產(chǎn)品放棄了很多有效的分辨率,。這通常是由于設(shè)備設(shè)計(jì)不佳造成的。如果不能很好地控制時(shí)鐘抖動(dòng),，噪聲和失真等參數(shù),，那么數(shù)字轉(zhuǎn)換器的ENOB僅為其ADC規(guī)定分辨率的一半就不罕見(jiàn)了。

復(fù)制制造商的測(cè)量值

在測(cè)試演示設(shè)備時(shí)或購(gòu)買(mǎi)設(shè)備后,，您可能需要復(fù)制制造商的測(cè)量值,，以便將數(shù)字化儀與規(guī)格進(jìn)行比較，判斷數(shù)字化儀的性能,。通常制造商提供基本可以執(zhí)行SNR,，THD和SFDR計(jì)算的測(cè)量軟件?；蚴褂玫谌焦ぞ?，這樣需要測(cè)量信號(hào)源，電纜和數(shù)字化儀的完整信號(hào)鏈的質(zhì)量,。這在查看高分辨率數(shù)字化儀時(shí)非常重要,，因?yàn)楝F(xiàn)成的信號(hào)發(fā)生器沒(méi)有達(dá)到足夠高的性能水平直接用作測(cè)試信號(hào)源。

數(shù)字化儀制造商都使用附加的高性能帶通濾波器來(lái)獲取純正弦信號(hào),，信號(hào)發(fā)生器中盡可能少的額外噪聲和失真,。要復(fù)制其測(cè)量值，每個(gè)測(cè)試信號(hào)頻率都要使用相同級(jí)別的設(shè)備,。

測(cè)量性能最大化

顯然,，如果精度，精度和靈敏度很重要,，那么選擇具有最佳動(dòng)態(tài)參數(shù)規(guī)格的數(shù)字化儀是一個(gè)好的開(kāi)始,。但是，還有一些有用的提示可能會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生重大影響,。如下：

1. 1.始終最大化要分析的信號(hào),，使其盡可能覆蓋數(shù)字化儀的輸入范圍。通過(guò)使用更多的ADC動(dòng)態(tài)范圍,，可以最大程度地提高信噪比,。選擇具有多個(gè)輸入范圍的數(shù)字化儀會(huì)變得更容易，但要確保噪聲水平不會(huì)隨任何應(yīng)用的衰減或放大而縮放。

2. 2.使用與應(yīng)用程序一致的最小測(cè)量帶寬,。噪聲級(jí)別與帶寬成正比,。這可以使用輸入帶寬限制或數(shù)字濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3. 3.使用信號(hào)處理（如求平均值）可降低與平均測(cè)量次數(shù)成正比的噪聲水平,。要注意的是,，這需要可重復(fù)的信號(hào)和多次采集。

4. 4.對(duì)于低電平信號(hào),，請(qǐng)使用外部“低噪聲”放大器來(lái)提高信號(hào)電平并最大化信噪比,。

5. 5.在完整的信號(hào)路徑中使用正確的端接。對(duì)于高帶寬應(yīng)用,，信號(hào)源,，電纜和數(shù)字化儀終端的完整50Ω終端是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

結(jié)論

在為特定應(yīng)用選擇數(shù)字化儀時(shí),，如果要確保產(chǎn)品能夠執(zhí)行所需的測(cè)量任務(wù),，請(qǐng)查看采樣率、帶寬和分辨率的規(guī)格,。動(dòng)態(tài)參數(shù)SNR,、SFDR、THD,、SINAD和ENOB都可以提供產(chǎn)品在特定條件下性能信息,。考慮預(yù)期信號(hào)并檢查動(dòng)態(tài)參數(shù)（應(yīng)在與信號(hào)相似的頻率和振幅范圍內(nèi)測(cè)量）,，以確保它們滿足或超過(guò)所需要求,。不要相信沒(méi)有給出任何關(guān)于如何測(cè)量的背景資料的單一數(shù)字。只有這樣,，才確信產(chǎn)品將在您的環(huán)境中提供所需的測(cè)量結(jié)果,。