示波器的采樣率和存儲深度

1、示波器的采樣率和存儲深度摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte引言在選擇示波器時，工程師首先需要確定測量所需的帶寬。然而當(dāng)示波器的帶寬確定后，影響實際測量的恰恰是相互作用、相互制約的采樣率和存儲深度。圖

2、1是數(shù)字示波器的工作原理簡圖。圖1 數(shù)字存儲示波器的原理組成框圖輸入的電壓信號首先進入示波器的前端放大器，放大器將信號放大或者衰減以調(diào)整信號的動態(tài)范圍，其輸出的信號由采樣/保持電路進行采樣，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，信號變成數(shù)字形式存入存儲器中，微處理器對存儲器中的數(shù)字化信號波形進行相應(yīng)的處理，并顯示在顯示屏上。這就是數(shù)字存儲示波器簡單的工作過程。采樣、采樣速率由于計算機只能處理離散的數(shù)字信號，模擬電壓信號進入示波器后面臨的首要問題就是連續(xù)信號的數(shù)字化（模/數(shù)轉(zhuǎn)化）問題。通過測量等時間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉(zhuǎn)化為用8位二進制代碼表示的數(shù)字信息，這就是DSO的采樣（見圖2

3、）。每兩次采樣之間的時間間隔越小，那么重建出來的波形就越接近原始信號。采樣率（Sampling Rate）就是采樣時間間隔的倒數(shù)。例如，如果示波器的采樣率是每秒10G次（10GSa/s），則意味著每100ps進行一次采樣。 圖2 示波器的采樣根據(jù)Nyquist采樣定理，對于正弦波，每個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)確的還原原始波形。如果采樣率低于Nyquist采樣率則會導(dǎo)致混疊（Aliasing）現(xiàn)象。由Nyquist定理知道對于最大采樣率為10GSa/s的示波器，可以測量最高頻率為5GHz的信號，即采樣率的一半，這就是示波器的數(shù)字帶寬，而這個帶寬是DSO的上限頻

4、率，實際帶寬是不可能達到這個值的，數(shù)字帶寬是從理論上推導(dǎo)出來的，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）是完全不同的兩個概念。那么在實際的測量中，對確定的示波器帶寬，采樣率到底選取多大？通常還與示波器所采用的采樣模式有關(guān)。采樣模式采樣技術(shù)大體上分為兩類：實時模式和等效時間模式。實時采樣（Real-Time Sampling）模式用來捕獲非重復(fù)性或單次信號，使用固定的時間間隔進行采樣。觸發(fā)一次后，示波器對電壓進行連續(xù)采樣，然后根據(jù)采樣點重建信號波形。等效時間采樣（Equivalent-Time Sampling），是對周期性波形在不同的周期中進行采樣，然后將采樣點拼接起來重建

5、波形，為了得到足夠多的采樣點，需要多次觸發(fā)。等效時間采樣又包括順序采樣和隨機重復(fù)采樣兩種。使用等效時間采樣模式必須滿足兩個前提條件：1.波形必須是重復(fù)的；2.必須能穩(wěn)定觸發(fā)。示波器絕大部分時間工作在實時采樣模式下，此時示波器的帶寬取決于ADC的最高采樣速率和所采用的內(nèi)插算法。因此示波器的實時帶寬與DSO采用的內(nèi)插算法有關(guān)。通常用有效存儲帶寬（BWa）來表征DSO的實際帶寬,其定義為：BWa=最高采樣速率/K。對于單次信號，最高采樣速率是指最高實時采樣速率，即A/D轉(zhuǎn)化器的最高速率；對于重復(fù)信號，是指最高等效采樣速率。K稱為帶寬因子，取決于DSO采用的內(nèi)插算法。DSO采用的內(nèi)插算法一般有線性（linear）插值和正弦（sinx/x）插值兩種。K在用線性插值時約為10，用正弦內(nèi)插約為2.5，而K=2.5只適用于重現(xiàn)正弦波，對于脈沖波，一般取K=4,此時，具有1GSa/s采樣率的DSO的有效存儲帶寬為250MHz。這也解釋了示波器用于實時采樣時，為什么最大采樣率通常是其額定模擬帶寬的四倍或以上。一般來說，采樣率總是越高越好。圖3 不同插值方式的波形顯示存儲、存儲深度在示波器中，把經(jīng)過A/D數(shù)字化后的八位二進制波形信息存儲到示波器