测量示波器的底噪以及其与带宽采样率的关系

信号完整性是示波器测量信号质量的主要衡量标准。 尤其当我们需要观测小信号或者大信号的微小变化时，其信号完整性显得更加至关重要。在我们进行设计、调试时，信号完整性与否会极大影响我们的判断。示波器测量中可能会存在噪声-信号失真甚至信号丢失等影响信号完整性的因素。 优秀的示波器配合适当的设置可以更好地保持信号的完整性。信号完整性差的示波器很可能会增加我们开发周期时间、影响生产质量和导致误选元器组件的风险。 为了最大限度地降低这种风险，我们应该选择可以保持高信号完整性的示波器。今天我们来看一下影响信号完整性的其中一个因素，示波器的底噪。示波器的底噪即示波器的本底噪声，一般指示波器在测量中与信号存在与否无关的一切干扰，主要是由示波器的衰减器，前端放大器以及模数转换器产生。示波器测量信号时，信号首先通过衰减器和前端放大器再由ADC模数转换器进行采样，该噪声会叠加在被测信号上成为信号的一部分，因此模数转换器也无法进行区分，理论上是没有办法消除的。
示波器的底噪测量只需简单的几步就可以做到，每个有示波器的人都可以快速地在几分钟内进行测量。1.去除连接示波器的所有探头2.确保示波器正常允许，其耦合方式设置为直流，采样方式为正常，带宽限制为全带宽3.将示波器的通道衰减比设置为1X4.示波器的垂直挡位设为最小，如下图是1mV/div5.移动触发电平至零平线，使底噪稳定显示。6.调节示波器的时基和存储深度，使得示波器处于最大采样率状态7.打开示波器的测量项峰峰值即为示波器底噪，可以看到在1mV左右我们也可以打开示波器的无限余晖和色温显示，以此来观察底噪的程度。波形的颜色越厚重，示波器内部产生的噪声就越多。我们也可以打开其他的通道单独观察，一般每个通道的底噪都是独有的，会有细微的差异，这都是正常的。调节示波器的垂直挡位会发现示波器的底噪也会发生变化，对于此有疑问的可以看下示波器的垂直分辨率相关的文章，就能了解导致这种现象的原因，因此测量示波器底噪务必要记得将垂直挡位调到灵敏度最高的挡位。
接下来我们通过设置来看看带宽、采样率、存储深度这示波器的三大指标对底噪的影响。我们打开示波器的带宽限制，将其设置为20M，可以看到此时的底噪在500μV左右。难道带宽越低的示波器底噪反而越小吗？由于噪声信号基本都是高频信号，当示波器带宽太低的时候，就无法捕捉到那些高频信号，因此就会显得底噪小。同样的，示波器的带宽越高，采集到的信号谐波分量越丰富，往往噪声也会越大。为了避免这种高带宽引入的干扰，有的示波器在高灵敏度垂直挡位下会自动进行带宽限制，以此使得测量出来的波形更加清晰。我们知道示波器的采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长，示波器采集的数据点越多，对波形的重构自然就越完整，因此低采样率肯定也会使得底噪的显示变低，当然低采样率也可能导致我们想要采集的信号失真，具体多少采样率足够，可以参考我们之前的文章：示波器测各种类型信号需要多大采样率实测我们将示波器的存储深度调节为28K，此时的采样率为20MSa/s，可以看到底噪的峰峰值为683.8μV。总结来说，示波器的带宽越高，采样率越高，往往底噪也会显示的越高，但这并不是说低带宽的示波器引入的噪声就小，而是有很大一部分信号没有被捕捉到而已。因此，我们在对示波器进行底噪比较的时候，要保证2个示波器的各项设置和参数一致，才具有比较的意义。