示波器的采樣率和存儲(chǔ)深度

1、示波器的采樣率和存儲(chǔ)深度摘要：實(shí)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(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)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(shí)，工程師首先需要確定測(cè)量所需的帶寬。然而當(dāng)示波器的帶寬確定后，影響實(shí)際測(cè)量的恰恰是相互作用、相互制約的采樣率和存儲(chǔ)深度。圖

2、1是數(shù)字示波器的工作原理簡(jiǎn)圖。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)首先進(jìn)入示波器的前端放大器，放大器將信號(hào)放大或者衰減以調(diào)整信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，其輸出的信號(hào)由采樣/保持電路進(jìn)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(hào)變成數(shù)字形式存入存儲(chǔ)器中，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器中的數(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)示波器簡(jiǎn)單的工作過程。采樣、采樣速率由于計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號(hào)，模擬電壓信號(hào)進(jìn)入示波器后面臨的首要問題就是連續(xù)信號(hào)的數(shù)字化（模/數(shù)轉(zhuǎn)化）問題。通過測(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8位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字信息，這就是DSO的采樣（見圖2

3、）。每?jī)纱尾蓸又g的時(shí)間間隔越小，那么重建出來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(jìn)行一次采樣。 圖2 示波器的采樣根據(jù)Nyquist采樣定理，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)確的還原原始波形。如果采樣率低于Nyquist采樣率則會(huì)導(dǎo)致混疊（Aliasing）現(xiàn)象。由Nyquist定理知道對(duì)于最大采樣率為10GSa/s的示波器，可以測(cè)量最高頻率為5GHz的信號(hào)，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

4、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)際的測(cè)量中，對(duì)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(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)拼接起來重建

5、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.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(shí)間工作在實(shí)時(shí)采樣模式下，此時(shí)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(shí)時(shí)帶寬與DSO采用的內(nèi)插算法有關(guān)。通常用有效存儲(chǔ)帶寬（BWa）來表征DSO的實(shí)際帶寬,其定義為：BWa=最高采樣速率/K。對(duì)于單次信號(hào)，最高采樣速率是指最高實(shí)時(shí)采樣速率，即A/D轉(zhuǎn)化器的最高速率；對(duì)于重復(fù)信號(hào)，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(shí)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(duì)于脈沖波，一般取K=4,此時(shí)，具有1GSa/s采樣率的DSO的有效存儲(chǔ)帶寬為250MHz。這也解釋了示波器用于實(shí)時(shí)采樣時(shí)，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(chǔ)、存儲(chǔ)深度在示波器中，把經(jīng)過A/D數(shù)字化后的八位二進(jìn)制波形信息存儲(chǔ)到示波器