示波器的三大關(guān)鍵指標(biāo)

1、帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度是數(shù)字示波器的三大關(guān)鍵指標(biāo)。相對(duì)于工程師們 對(duì)示波器帶寬的熟悉和重視，采樣率和存儲(chǔ)深度往往在示波器的選型、評(píng)估和 測(cè)試中為大家所忽視。這篇文章的目的是通過(guò)簡(jiǎn)單介紹采樣率和存儲(chǔ)深度的相 關(guān)理論結(jié)合常見(jiàn)的應(yīng)用幫助工程師更好的理解采樣率和存儲(chǔ)深度這兩個(gè)指針的 重要特征及對(duì)實(shí)際測(cè)試的影響，同時(shí)有助于我們掌握選擇示波器的權(quán)衡方法， 樹(shù)立正確的使用示波器的觀念。在開(kāi)始了解采樣和存儲(chǔ)的相關(guān)概念前，我們先回顧一下數(shù)字存儲(chǔ)示波器的 工作原理。圖 1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理組成框圖輸入的電壓信號(hào)經(jīng)耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號(hào)放大， 以提高示波器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 放大器輸出的信

2、號(hào)由取樣 / 保持電路進(jìn)行取 樣，并由 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后，信號(hào)變成了數(shù)字形式存入內(nèi) 存中，微處理器對(duì)內(nèi)存中的數(shù)字化信號(hào)波形進(jìn)行相應(yīng)的處理，并顯示在顯示屏 上。這就是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的工作過(guò)程。采樣、采樣速率我們知道，計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號(hào)。在模擬電壓信號(hào)進(jìn)入示波器 后面臨的首要問(wèn)題就是連續(xù)信號(hào)的數(shù)字化(模 / 數(shù)轉(zhuǎn)化)問(wèn)題。一般把從連續(xù)信 號(hào)到離散信號(hào)的過(guò)程叫采樣( sampling )。連續(xù)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣和量化才 能被計(jì)算機(jī)處理，因此，采樣是數(shù)字示波器作波形運(yùn)算和分析的基礎(chǔ)。通過(guò)測(cè) 量等時(shí)間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉(zhuǎn)化為用八位二進(jìn)制代碼表示的數(shù) 字信息，

3、這就是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣。采樣電壓之間的時(shí)間間隔越小，那么 重建出來(lái)的波形就越接近原始信號(hào)。采樣率( sampling rate )就是采樣時(shí)間 間隔。比如，如果示波器的采樣率是每秒 10G 次( 10GSa/s )，則意味著每 100ps 進(jìn)行一次采樣。圖 2 示波器的采樣根據(jù) Nyquist 采樣定理，當(dāng)對(duì)一個(gè)最高頻率為 f 的帶限信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)， 采樣頻率 SF 必須大于 f 的兩倍以上才能確保從采樣值完全重構(gòu)原來(lái)的信號(hào)。 這里， f 稱為 Nyquist 頻率， 2 f 為 Nyquist 采樣率。對(duì)于正弦波，每個(gè)周 期至少需要兩次以上的采樣才能保證數(shù)字化后的脈沖序列能較為準(zhǔn)確的還原

4、始 波形。如果采樣率低于 Nyquist 采樣率則會(huì)導(dǎo)致混迭( Aliasing )現(xiàn)象。圖 3 采樣率 SF2 f ，混迭失真但是頻率測(cè)量的結(jié)果卻相差很大，4 中觸發(fā)位置和觸發(fā)電平?jīng)]有對(duì)圖 4 和圖 5 顯示的波形看上去非常相似， 究竟哪一個(gè)是正確的？仔細(xì)觀察我們會(huì)發(fā)現(xiàn)圖應(yīng)起來(lái)，而且采樣率只有 250MS/s ，圖 5 中使用了 20GS/s 的采樣率，可 以確定，圖 4 顯示的波形欺騙了我們，這即是一例采樣率過(guò)低導(dǎo)致的混迭 ( Aliasing )給我們?cè)斐傻募傧?。圖 4 250MS/s 采樣率的波形顯示圖 5 20GS/s 采樣的波形顯示因此在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)于較高頻的信號(hào)，工程師的眼睛應(yīng)

5、該時(shí)刻盯著示波 器的采樣率，防止混迭的風(fēng)險(xiǎn)。我們建議工程師在開(kāi)始測(cè)量前先固定示波器的 采樣率，這樣就避免了欠采樣。力科示波器的時(shí)基( Time Base )菜單里提供 了這個(gè)選項(xiàng)，可以方便的設(shè)置。由 Nyquist 定理我們知道對(duì)于最大采樣率為 10GS/s 的示波器，可以測(cè) 到的最高頻率為 5GHz ，即采樣率的一半，這就是示波器的數(shù)字帶寬，而這個(gè) 帶寬是 DSO 的上限頻率， 實(shí)際帶寬是不可能達(dá)到這個(gè)值的， 數(shù)字帶寬是從理論 上推導(dǎo)出來(lái)的， 是 DSO 帶寬的理論值。 與我們經(jīng)常提到的示波器帶寬 (模擬帶 寬)是完全不同的兩個(gè)概念。那么在實(shí)際的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，對(duì)特定的帶寬，采樣率到底選取多

6、大？通 常還與示波器所采用的采樣模式有關(guān)。采樣模式當(dāng)信號(hào)進(jìn)入 DSO 后，所有的輸入信號(hào)在對(duì)其進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)化前都需要采樣， 采樣技術(shù)大體上分為兩類：實(shí)時(shí)模式和等效時(shí)間模式。實(shí)時(shí)采樣( real-time sampling)模式用來(lái)捕獲非重復(fù)性或單次信號(hào)，使用固定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣。觸發(fā)一次后，示波器對(duì)電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，然 后根據(jù)采樣點(diǎn)重建信號(hào)波形。等效時(shí)間采樣( equivalent-time sampling )，是對(duì)周期性波形在不 同的周期中進(jìn)行采樣，然后將采樣點(diǎn)拼接起來(lái)重建波形，為了得到足夠多的采 樣點(diǎn)，需要多次觸發(fā)。等效時(shí)間采樣又包括順序采樣和隨機(jī)重復(fù)采樣兩種。使 用等效時(shí)間采樣模式必須滿足兩個(gè)前提條件： 1.