示波器的三大關(guān)鍵指標

1、閱讀使人充實，會談使人敏捷，寫作使人精確。一一培根 帶寬、采樣率和存儲深度是數(shù)字示波器的三大關(guān)鍵指標。相對于工程師們 對示波器帶寬的熟悉和重視，采樣率和存儲深度往往在示波器的選型、評估和 測試中為大家所忽視。這篇文章的目的是通過簡單介紹采樣率和存儲深度的相 關(guān)理論結(jié)合常見的應(yīng)用幫助工程師更好的理解采樣率和存儲深度這兩個指針的 重要特征及對實際測試的影響，同時有助于我們掌握選擇示波器的權(quán)衡方法， 樹立正確的使用示波器的觀念。 在開始了解采樣和存儲的相關(guān)概念前，我們先回顧一下數(shù)字存儲示波器的 工作原理。 圖1數(shù)字存儲示波器的原理組成框圖 輸入的電壓信號經(jīng)耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號放

2、大， 以提高示波器的靈敏度和動態(tài)范圍。放大器輸出的信號由取樣/保持電路進行取 樣，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后，信號變成了數(shù)字形式存入內(nèi) 存中，微處理器對內(nèi)存中的數(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)字存儲示波器的工作過程。 米樣、米樣速率 我們知道，計算機只能處理離散的數(shù)字信號。在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。一般把從連續(xù)信 號到離散信號的過程叫采樣(sampli ng )。連續(xù)信號必須經(jīng)過采樣和量化才 能被計算機處理，因此，采樣是數(shù)字示波器作波形運算和分析的基礎(chǔ)。通過測 量等時間間隔波形的電壓幅值，并把該

3、電壓轉(zhuǎn)化為用八位二進制代碼表示的數(shù) 字信息，這就是數(shù)字存儲示波器的采樣。采樣電壓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(sampli ng rate)就是采樣時間 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 進行一次采樣。 學問是異常珍貴的東西，從任何源泉吸收都不可恥。阿卜日法拉茲 采樣是等間隔的進汀 數(shù)字化需霊 的懺持科間 采樣吋發(fā)(了什么？ 16字化 toil 1-001 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 F 1 t . 1 1 1 0 轉(zhuǎn)攝成為數(shù)據(jù)噸序“仙 圖2示波器的采樣 根據(jù)Nyquist采樣定理，

4、當對一個最高頻率為f的帶限信號進行采樣時, 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)原來的信號。 這里，f稱為Nyquist 頻率，2 f為Nyquist 采樣率。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確的還原始 波形。如果采樣率低于 Nyquist采樣率則會導致混迭(Aliasing )現(xiàn)象。 圖3采樣率SF2 f，混迭失真 但是頻率測量的結(jié)果卻相差很大, 4中觸發(fā)位置和觸發(fā)電平?jīng)]有對 圖4和圖5顯示的波形看上去非常相似, 究竟哪一個是正確的？仔細觀察我們會發(fā)現(xiàn)圖 應(yīng)起來，而且采樣率只有 250MS/S ，圖5中使用了 20GS/S 的

5、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低導致的混迭 (Alias ing )給我們造成的假像。 h 壬Frfqvtney f J 汕w 圖4 250MS/S采樣率的波形顯示 圖5 20GS/S采樣的波形顯示 因此在實際測量中，對于較高頻的信號，工程師的眼睛應(yīng)該時刻盯著示波 器的采樣率，防止混迭的風險。我們建議工程師在開始測量前先固定示波器的 采樣率，這樣就避免了欠采樣。力科示波器的時基(Time Base )菜單里提供 了這個選項，可以方便的設(shè)置。 由Nyquist 定理我們知道對于最大采樣率為 10GS/S 的示波器，可以測 到的最高頻率為5GHz，即采樣率的一半，

6、這就是示波器的數(shù)字帶寬，而這個 帶寬是DSO的上限頻率，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。 那么在實際的數(shù)字存儲示波器，對特定的帶寬，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 當信號進入DSO后,所有的輸入信號在對其進行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.波形必須是重復的；2.必須能 穩(wěn)定觸發(fā)。 閱讀使人充實，會談使人敏捷，寫作使人精確。 培根