在選擇示波器時,工程師首先需要確定測量所需的帶寬。然而當示波器的帶寬確定後,影響實際測量的恰恰是相互作用、相互製約的采樣率和存儲深度。

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整信號的動態範圍,其輸出的信號由采樣/保持電路進行采樣,並由A/D轉換器數字化。經過A/D轉換後,信號變成數字形式存入存儲器中,微處理器對存儲器中的數字化信號波形進行相應的處理,並顯示在顯示屏上。這就是數字存儲示波器簡單的工作過程。

采樣、采樣速率

由於計算機隻能處理離散的數字信號,模擬電壓信號進入示波器後麵臨的首要問題就是連續信號的數字化(模/數轉化)問題。

通過測量等時間間隔波形的電壓幅值,並把該電壓轉化為用8位二進製代碼表示的數字信息,這就是DSO的采樣。每兩次采樣之間的時間間隔越小,那麽重建出來的波形就越接近原始信號。采樣率(SamplingRate)就是采樣時間間隔的倒數。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。

根據Nyquist采樣定理,對於正弦波,每個周期至少需要兩次以上的采樣才能保證數字化後的脈衝序列能較為準確的還原原始波形。如果采樣率低於Nyquist采樣率則會導致混疊(Aliasing)現象。

由Nyquist定理知道對於最大采樣率為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,數字帶寬是從理論上推導出來的,是DSO帶寬的理論值。與AG亚游集团經常提到的示波器帶寬(模擬帶寬)是完全不同的兩個概念。

那麽在實際的測量中,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。

采樣模式

采樣技術大體上分為兩類:實時模式和等效時間模式。

實時采樣(Real-TimeSampling)模式用來捕獲非重複性或單次信號,使用固定的時間間隔進行采樣。觸發一次後,示波器對電壓進行連續采樣,然後根據采樣點重建信號波形。

等效時間采樣(Equivalent-TimeSampling),是對周期性波形在不同的周期中進行采樣,然後將采樣點拚接起來重建波形,為了得到足夠多的采樣點,需要多次觸發。等效時間采樣又包括順序采樣和隨機重複采樣兩種。使用等效時間采樣模式必須滿足兩個前提條件:1.波形必須是重複的;2.必須能穩定觸發。

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於ADC的最高采樣速率和所采用的內插算法。因此示波器的實時帶寬與DSO采用的內插算法有關。

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。對於單次信號,最高采樣速率是指最高實時采樣速率,即A/D轉化器的最高速率;對於重複信號,是指最高等效采樣速率。

K稱為帶寬因子,取決於DSO采用的內插算法。DSO采用的內插算法一般有線性(linear)插值和正弦(sinx/x)插值兩種。K在用線性插值時約為10,用正弦內插約為2.5,而K=2.5隻適用於重現正弦波,對於脈衝波,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於實時采樣時,為什麽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。

文章編輯:北京凡實測控技術有限公司    文章鏈接:https://www.hxy-elec.com/SZSBQZZSDWZ


2018年03月02日

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