示波器的采樣率相關知識分享

ID:689795 · 發表于 2020-8-23 16:51

想象一下一張照片要怎么樣才能清晰？當然是像素點越多，照片包含的原始信息就越接近真實，自然看起來也就越清晰。

我們從示波器上看到的波形其實也可以理解成一張照片，那么這張照片包含的點越多，自然也就越接近真實的樣子。示波器的存儲深度就是表達了示波器最多能存儲多少個數據點。比如28Mpts的存儲深度，說明示波器最多可以存儲兩千八百萬個采樣點。

對于拍攝一張靜止的照片，照相機拍照時間的快慢關系并不大，因為結果并不會改變。但是由于信號是不斷變化的，因此對示波器而言更像是在不停拍攝運動的照片，并且是超高速的運動，這個時候除了采樣點數量以外，采樣點采集的速度也就至關重要了。示波器重建一個信號不僅僅取決于有多少個數據點，采集數據點的速度也很關鍵。示波器的采樣率就是示波器每秒能采集多少個數據點的能力。如果示波器的采樣率不足，那么我們就無法準確地看到信號的真實樣子。

輸入示波器的信號在時間軸和電壓軸上也都是連續變化的，由于計算機只能處理離散的數字信號，像這樣的信號是無法用數字的方法進行描述和處理，因此還需要用高速ADC對信號進行采樣和量化，也就是數字化的過程。經過模數轉換后，在時間和電壓上連續變化的波形就變為一個個連續變化的數字化的采樣點。

在進行采樣或者進行數字量化的過程中，如果要盡可能真實地重建波形，最關鍵的問題就是在時間軸上的采樣點是否足夠密集以及在垂直方向的電壓的量化級數。水平方向采樣點的間隔取決于示波器的ADC的采樣率，而垂直方向的電壓量化級數則取決于ADC的位數。

示波器的運作過程大概是這樣的：

我們通過探頭給示波器輸入一個信號，被測信號經過示波器前端的放大、衰減等信號調理電路后，然后高速ADC模數轉換器進行信號采樣和數字量化，示波器的采樣率就是對輸入信號進行模數轉換時采樣時鐘的頻率，通俗的講就是采樣間隔，每個采樣間隔采集一個采樣點。比如1GSa/s的采樣率，代表示波器具備每秒鐘采集10億個采樣點的能力，此時其采樣間隔就是10納秒。

對于實時示波器來說，目前普遍采用的是實時采樣方式。所謂實時采樣，就是對被測的波形信號進行等間隔的一次連續的高速采樣，然后根據這些連續采樣的樣點重構或恢復波形。在實時采樣過程中，很關鍵的一點是要保證示波器的采樣率要比被測信號的變化快很多。

那么究竟要快多少呢？可以參考數字信號處理中的奈奎斯特（Nyquist）定律。Nyquist定律說，如果被測信號帶寬是有限的，那么在對信號進行采樣和量化時，如果采樣率是被測信號帶寬的2倍以上，就可以完全重建或恢復出信號中承載的信息而不會產生混疊。

如下圖就是采樣率不足導致的信號混疊，可以看到采集到的信號和原始信號相比，頻率變小了很多。

大多數示波器會提供幾種采樣模式供用戶選擇，常見的有正常采樣、平均采樣、峰值采樣和包絡采樣。

正常采樣模式下，示波器按相等的時間間隔對信號采樣以重建波形。此模式可對大部分波形產生最佳顯示效果。

在峰值采樣模式中，當水平時基設置較低時，將保留最小采樣值和最大采樣值，以捕獲罕見事件和窄事件（在擴大任何噪聲的前提下）。該模式將顯示至少與采樣周期一樣寬的所有脈沖。峰值采樣模式可用于更方便地查看毛刺或窄脈沖。在峰值采樣模式中，窄毛刺和跳變沿比“正�！辈蓸幽Ｊ街酗@示得更亮，使它們更容易被看到。應用峰值采樣方式可以避免信號的混淆，但也會顯示更多的實際噪聲。

使用平均采樣模式可平均多個采集結果，以減少所顯示信號中的隨機或無關噪聲。平均多個采樣結果需要穩定的觸發。平均的數目可在平均采樣模式后的選擇框內進行設定，平均數目越高，顯示的波形對波形變化的響應就越慢。必須在波形對變化的響應速度與信號上所顯示噪聲的降低程度之間進行折衷。

使用包絡采樣模式可以看到數次采樣到的波形的疊加效果，在指定的N個采樣數據中捕獲一個信號的最大值和最小值，可設置波形疊加次數，如下圖為一個包絡采樣模式下波形疊加次數為32的調幅信號。

無論選擇了哪種采樣方式，都要記住保證采樣率至少是被測信號帶寬的2倍以上，事實上我們更建議是3-5倍以上，這樣更容易捕獲的波形的異常信息。

最后一件事值得注意的是，示波器的采樣率同示波器的帶寬不同，當你打開多通道的時候，采樣率會被每個通道平均分配。因此如果你打開了多個通道，一定要再次確認下采樣率是否依然滿足條件。

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