關(guān)于示波器的采樣率-汪進(jìn)進(jìn)

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1、關(guān)于示波器的采樣率汪進(jìn)進(jìn)關(guān)于示波器的采樣率汪進(jìn)進(jìn)深圳市鼎陽(yáng)科技有限公司采樣率（SamplingRate)，顧名思義就是“采樣的速率”，就是單位時(shí)間內(nèi)將模擬電平轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)的速率，譬如采樣率為4GSa/s就表示每秒采樣4G個(gè)點(diǎn)。Sa是Samples的縮寫。有些示波器廠商寫作4GS/s。當(dāng)然，采用不同量綱的單位就是MSa/s、MS/s，KSa/s、KS/s，Sa/s，S/s。1，采樣過(guò)程反應(yīng)了數(shù)字示波器的本質(zhì)：將模擬信號(hào)離散為一個(gè)一個(gè)的采樣點(diǎn)數(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)最大不同是將模擬信號(hào)進(jìn)行離散化。我們常說(shuō)的話是，“在數(shù)字世界里，永遠(yuǎn)只有0和1”。如何將那些各種不

2、同形狀的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0和1呢?圖1和圖2表示了示波器將模擬信號(hào)離散化的過(guò)程。采樣-保持電路根據(jù)采樣時(shí)鐘將連續(xù)的模擬信號(hào)“等時(shí)間間隔地”、“實(shí)時(shí)地”轉(zhuǎn)換為離散的電平，離散的電平再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為一系列的0和1。對(duì)于8位ADC來(lái)說(shuō)，8個(gè)連續(xù)的0和1組成一個(gè)采樣點(diǎn)，代表了一個(gè)電平值。示波器將這些離散的采樣點(diǎn)直接顯示或?qū)Ⅻc(diǎn)和點(diǎn)通過(guò)某種方式相連顯示為示波器屏幕上的波形。示波器保存的離散的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)就是“存儲(chǔ)深度(memory）”。FIELDEFFECTTRANSISTOR(FET)SWITCHHOLDCAPACITORINPUTWAVEFORMSAMPLEDWA

3、VEFORMSAMPLINGCLOCK圖1采樣-保持電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)一個(gè)離散的電平圖2ADC將模擬信號(hào)離散化為0和1組成的采樣點(diǎn)將圖1和圖2的離散化過(guò)程換個(gè)示意圖來(lái)表達(dá)，如圖3所示，離散的采樣點(diǎn)之間的間隔就是采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣率。采樣率4GSa/s就表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔為500ps。在“點(diǎn)顯示”方式和“線性插值”模式下，將示波器屏幕上的波形展開，有些示波器能看出屏幕上等時(shí)間間隔的采樣點(diǎn)，打開示波器光標(biāo)可以測(cè)量出兩個(gè)點(diǎn)之間的間隔即為采樣周期。圖3采樣周期表示相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔2，最高采樣率VS當(dāng)前采樣率在示波器的前面板上通常都會(huì)標(biāo)識(shí)采樣率，如

4、圖4所示是中國(guó)首款智能示波器SDS3000系列中的一款SDS3054，她的面板上標(biāo)識(shí)了采樣率為4GS/s，該采樣率就是指這臺(tái)示波器可以工作到的最高采樣率。圖4中國(guó)首款智能示波器SDS3054的面板上標(biāo)識(shí)了最高采樣率4GS/s但是，實(shí)際上示波器的“當(dāng)前采樣率”受到存儲(chǔ)深度的限制，可能小于最高采樣率。隨著示波器采集時(shí)間的增加，采樣率會(huì)被強(qiáng)迫地自動(dòng)下降。在圖5所示的設(shè)置下，當(dāng)前的采樣率只有100MS/s。也因此，我們要特別強(qiáng)調(diào)高保真捕獲的這個(gè)原則：時(shí)刻警惕采樣率。就是時(shí)刻警惕當(dāng)前的“實(shí)時(shí)采樣率”。圖5示波器實(shí)際工作中的當(dāng)前采樣率是受限于存儲(chǔ)深度的3，實(shí)時(shí)采樣率VS等效采樣率（隨

5、機(jī)采樣模式，插值算法）前面提到的最高采樣率和當(dāng)前采樣率及采樣率都默認(rèn)為“實(shí)時(shí)采樣率”(real-timesamplingrate)，最高采樣采樣率即為最高實(shí)時(shí)采樣率，當(dāng)前采樣率即為當(dāng)前實(shí)時(shí)采樣率。和實(shí)時(shí)采樣率相對(duì)應(yīng)的一個(gè)名詞是“等效采樣率(effectivesamplingrate）"。等效采樣率一般是指示波器工作在一種特別的采樣模式（被稱為隨機(jī)采樣模式或等效采樣模式）下的術(shù)語(yǔ)。如圖6所示為隨機(jī)采樣模式的工作原理示意圖。示波器在該模式下的實(shí)時(shí)采樣率如圖示上方的一組圖形的第1次捕獲，第2次捕獲，……，第N次捕獲，這些單次分別捕獲的過(guò)程中，采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔的倒數(shù)符合我們前

6、面所述的的采樣率概念，是實(shí)時(shí)采樣率。將這N次實(shí)時(shí)采樣的采樣點(diǎn)“合成”在一起的結(jié)果如圖6的下圖所示。這種隨機(jī)采樣模式要求被測(cè)信號(hào)是“周期的、重復(fù)的”信號(hào)，示波器要能識(shí)別出這種信號(hào)每一幀的“起始”和“結(jié)束”，在“起始”位置開始第1次采樣，然后間隔進(jìn)行第2次采樣，再間隔進(jìn)行第3次采樣，……。那么這個(gè)就是等效采樣周期，它的倒數(shù)就是等效采樣率。這種模式下等效采樣率可以達(dá)到幾十GSa/s。這種采樣模式也正是采樣示波器的基本工作原理。采樣示波器的實(shí)時(shí)采樣率只有200KSa/s，但等效采樣率可以做到很大。對(duì)于純粹的正弦波信號(hào)的測(cè)量，使用等效采樣模式是有效的。但是，實(shí)際被測(cè)信號(hào)往往并不是“

7、周期的、重復(fù)的”的信號(hào)，該工作模式的使用場(chǎng)合并不多。圖6隨機(jī)采樣模式工作原理示意圖另外一種等效采樣率的說(shuō)法和示波器的插值有關(guān)。在實(shí)時(shí)采樣得到的離散的點(diǎn)和點(diǎn)之間插入若干個(gè)通過(guò)某種算法獲得的“假點(diǎn)”的方法就叫插值。這里用“假點(diǎn)”這個(gè)說(shuō)法是區(qū)別實(shí)時(shí)采樣的點(diǎn)，便于理解。兩個(gè)實(shí)時(shí)采樣的點(diǎn)之間增加了9個(gè)點(diǎn)，等效采樣率就相當(dāng)于增加了10倍。在實(shí)時(shí)采樣率是足夠的情況下，插值可以增加計(jì)算結(jié)果的精度;但在實(shí)時(shí)采樣率不夠，而且被測(cè)信號(hào)是脈沖方波的情況下，插值會(huì)帶來(lái)過(guò)沖和下沖的“假象”，讓用戶誤以為被測(cè)信號(hào)并沒(méi)有失真，但其實(shí)已經(jīng)嚴(yán)重失真了。如圖7所信