一文解析示波器的采樣頻率

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

我們從示波器上看到的波形其實(shí)也可以理解成一張照片，那么這張照片包含的點(diǎn)越多，自然也就越接近真實(shí)的樣子。示波器的存儲(chǔ)深度就是表達(dá)了示波器最多能存儲(chǔ)多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。比如28Mpts的存儲(chǔ)深度，說明示波器最多可以存儲(chǔ)兩千八百萬個(gè)采樣點(diǎn)。

對于拍攝一張靜止的照片，照相機(jī)拍照時(shí)間的快慢關(guān)系并不大，因?yàn)榻Y(jié)果并不會(huì)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(yùn)動(dòng)的照片，并且是超高速的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候除了采樣點(diǎn)數(shù)量以外，采樣點(diǎn)采集的速度也就至關(guān)重要了。示波器重建一個(gè)信號不僅僅取決于有多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度也很關(guān)鍵。示波器的采樣率就是示波器每秒能采集多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的能力。如果示波器的采樣率不足，那么我們就無法準(zhǔn)確地看到信號的真實(shí)樣子。

輸入示波器的信號在時(shí)間軸和電壓軸上也都是連續(xù)變化的，由于計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號，像這樣的信號是無法用數(shù)字的方法進(jìn)行描述和處理，因此還需要用高速ADC對信號進(jìn)行采樣和量化，也就是數(shù)字化的過程。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在時(shí)間和電壓上連續(xù)變化的波形就變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)連續(xù)變化的數(shù)字化的采樣點(diǎn)。

在進(jìn)行采樣或者進(jìn)行數(shù)字量化的過程中，如果要盡可能真實(shí)地重建波形，最關(guān)鍵的問題就是在時(shí)間軸上的采樣點(diǎn)是否足夠密集以及在垂直方向的電壓的量化級數(shù)。水平方向采樣點(diǎn)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(shù)則取決于ADC的位數(shù)。

示波器的運(yùn)作過程大概是這樣的：

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

對于實(shí)時(shí)示波器來說，目前普遍采用的是實(shí)時(shí)采樣方式。所謂實(shí)時(shí)采樣，就是對被測的波形信號進(jìn)行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣，然后根據(jù)這些連續(xù)采樣的樣點(diǎn)重構(gòu)或恢復(fù)波形。在實(shí)時(shí)采樣過程中，很關(guān)鍵的一點(diǎn)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(shù)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(jìn)行采樣和量化時(shí)，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(fù)出信號中承載的信息而不會(huì)產(chǎn)生混疊。

如下圖就是采樣率不足導(dǎo)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(shù)示波器會(huì)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(luò)采樣。

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

在峰值采樣模式中，當(dāng)水平時(shí)基設(shè)置較低時(shí)，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(kuò)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(yīng)用峰值采樣方式可以避免信號的混淆，但也會(huì)顯示更多的實(shí)際噪聲。

使用平均采樣模式可平均多個(gè)采集結(jié)果，以減少所顯示信號中的隨機(jī)或無關(guān)噪聲。平均多個(gè)采樣結(jié)果需要穩(wěn)定的觸發(fā)。平均的數(shù)目可在平均采樣模式后的選擇框內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，平均數(shù)目越高，顯示的波形對波形變化的響應(yīng)就越慢。必須在波形對變化的響應(yīng)速度與信號上所顯示噪聲的降低程度之間進(jìn)行折衷。

使用包絡(luò)采樣模式可以看到數(shù)次采樣到的波形的疊加效果，在指定的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)中捕獲一個(gè)信號的最大值和最小值，可設(shè)置波形疊加次數(shù)，如下圖為一個(gè)包絡(luò)采樣模式下波形疊加次數(shù)為32的調(diào)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(shí)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(dāng)你打開多通道的時(shí)候，采樣率會(huì)被每個(gè)通道平均分配。因此如果你打開了多個(gè)通道，一定要再次確認(rèn)下采樣率是否依然滿足條件。