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带宽、采样率、存储深度,示波器三大关键指标详解

eefocus ·2020-09-03 00:00·电子工程世界
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带宽、采样率和存储深度是数字示波器的三大关键指标。相对于工程师们对示波器带宽的熟悉和重视,采样率和存储深度往往在示波器的选型、评估和测试中为大家所忽视。这篇文章的目的是通过简单介绍采样率和存储深度的相关理论结合常见的应用帮助工程师更好的理解采样率和存储深度这两个指标的重要特征及对实际测试的影响,同时有助于我们掌握选择示波器的权衡方法,树立正确的使用示波器的观念。

在开始了解采样和存储的相关概念前,我们先回顾一下数字存储示波器的工作原理。

输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器,前端放大器将信号放大,以提高示波器的灵敏度和动态范围。放大器输出的信号由取样 / 保持电路进行取样,并由 A/D 转换器数字化,经过 A/D 转换后,信号变成了数字形式存入存储器中,微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理,并显示在显示屏上。这就是数字存储示波器的工作过程。

采样、采样速率

我们知道,计算机只能处理离散的数字信号。在模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是连续信号的数字化(模 / 数转化)问题。一般把从连续信号到离散信号的过程叫采样(sampling)。连续信号必须经过采样和量化才能被计算机处理,因此,采样是数字示波器作波形运算和分析的基础。通过测量等时间间隔波形的电压幅值,并把该电压转化为用八位二进制代码表示的数字信息,这就是数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小,那么重建出来的波形就越接近原始信号。采样率(sampling rate)就是采样时间间隔。比如,如果示波器的采样率是每秒 10G 次(10GSa/s),则意味着每 100ps 进行一次采样。

图 2 示波器的采样

根据 Nyquist 采样定理,当对一个最高频率为 f 的带限信号进行采样时,采样频率 SF 必须大于 f 的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。这里,f 称为 Nyquist 频率,2 f 为 Nyquist 采样率。对于正弦波,每个周期至少需要两次以上的采样才能保证数字化后的脉冲序列能较为准确的还原原始波形。如果采样率低于 Nyquist 采样率则会导致混叠(Aliasing)现象。

图 3 采样率 SF<2 f,混叠失真

图 4 和图 5 显示的波形看上去非常相似,但是频率测量的结果却相差很大,究竟哪一个是正确的?仔细观察我们会发现图 4 中触发位置和触发电平没有对应起来,而且采样率只有 250MS/s,图 5 中使用了 20GS/s 的采样率,可以确定,图 4 显示的波形欺骗了我们,这即是一例采样率过低导致的混叠(Aliasing)给我们造成的假象。

因此在实际测量中,对于较高频的信号,工程师的眼睛应该时刻盯着示波器的采样率,防止混叠的风险。我们建议工程师在开始测量前先固定示波器的采样率,这样就避免了欠采样。力科示波器的时基(Time Base)菜单里提供了这个选项,可以方便的设置。

由 Nyquist 定理我们知道对于最大采样率为 10GS/s 的示波器,可以测到的最高频率为 5GHz,即采样率的一半,这就是示波器的数字带宽,而这个带宽是 DSO 的上限频率,实际带宽是不可能达到这个值的,数字带宽是从理论上推导出来的,是 DSO 带宽的理论值。与我们经常提到的示波器带宽(模拟带宽)是完全不同的两个概念。

那么在实际的数字存储示波器,对特定的带宽,采样率到底选取多大?通常还与示波器所采用的采样模式有关。

采样模式

当信号进入 DSO 后,所有的输入信号在对其进行 A/D 转化前都需要采样,采样技术大体上分为两类:实时模式和等效时间模式。

实时采样(real-time sampling)模式用来捕获非重复性或单次信号,使用固定的时间间隔进行采样。触发一次后,示波器对电压进行连续采样,然后根据采样点重建信号波形。

等效时间采样(equivalent-time sampling),是对周期性波形在不同的周期中进行采样,然后将采样点拼接起来重建波形,为了得到足够多的采样点,需要多次触发。等效时间采样又包括顺序采样和随机重复采样两种。使用等效时间采样模式必须满足两个前提条件:1. 波形必须是重复的;2. 必须能稳定触发。

实时采样模式下示波器的带宽取决于 A/D 转化器的最高采样速率和所采用的内插算法。即示波器的实时带宽与 DSO 采用的 A/D 和内插算法有关。

这里又提到一个实时带宽的概念,实时带宽也称为有效存储带宽,是数字存储示波器采用实时采样方式时所具有的带宽。这么多带宽的概念可能已经看得大家要抓狂了,在此总结一下:DSO 的带宽分为模拟带宽和存储带宽。通常我们常说的带宽都是指示波器的模拟带宽,即一般在示波器面板上标称的带宽。而存储带宽也就是根据 Nyquist 定理计算出来的理论上的数字带宽,这只是个理论值。

通常我们用有效存储带宽(BWa)来表征 DSO 的实际带宽,其定义为:BWa=最高采样速率 / k,最高采样速率对于单次信号来说指其最高实时采样速率,即 A/D 转化器的最高速率;对于重复信号来说指最高等效采样速率。K 称为带宽因子,取决于 DSO 采用的内插算法。DSO 采用的内插算法一般有线性(linear)插值和正弦(sinx/x)插值两种。K 在用线性插值时约为 10,用正弦内插约为 2.5,而 k=2.5 只适于重现正弦波,对于脉冲波,一般取 k=4,此时,具有 1GS/s 采样率的 DSO 的有效存储带宽为 250MHz。

图 6 不同插值方式的波形显示

内插与最高采样率之间的理论关系并非本文讨论的重点。我们只须了解以下结论:在使用正弦插值法时,为了准确再显信号,示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的 2.5 倍。使用线性插值法时,示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的 10 倍。这也解释了示波器用于实时采样时,为什么最大采样率通常是其额定模拟带宽的四倍或以上。

在谈完采样率后,还有一个与 DSO 的 A/D 密切相关的概念,就是示波器的垂直分辨率。垂直分辨率决定了 DSO 所能分辨的最小电压增量,通常用 A/D 的位数 n 表示。前面我们提到现在 DSO 的 A/D 转换器都是 8 位编码的,那么示波器的最小量化单位就是 1/256,(2 的 8 次方),即 0.391%。了解这一点是非常重要的,对于电压的幅值测量,如果你示波器当前的垂直刻度设置成 1v/div 的档位,那意味着你的测量值有 8V*0.391%=31.25mV 以内的误差是正常的!!!因为小于 31.25mV 的电压示波器在该档位下已经分辨不出来了,如果只用了 4 位,那测出来的误差更惊人!所以建议大家在测量波形时,尽可能调整波形让其充满整个屏幕,充分利用 8 位的分辨率。我们经常听到有工程师抱怨示波器测不准他的电压或者说测量结果不一致,其实大多数情况是工程师还没有理解示波器的垂直分辨率对测量结果的影响。这里顺便提一下,关于示波器的测量精度问题,必须澄清一点——示波器本身就不是计量的仪器!!!它是“工程师的眼睛”,帮助你更深入的了解你的电路的特征。做个广告:经常做电源测量或者纹波测量,或者想深入了解示波器量化误差的工程师,大家可以参考我的同事 Frankie 博客的一片文章《示波器不是垂直量的计量工具》https://blog.sina.com.cn/s/blog_521262a301009ryp.html

图 7 是用模拟带宽为 1GHz 的示波器测量上升时间为 1ns 的脉冲,在不同采样率下测量结果的比较,可以看出:超过带宽 5 倍以上的采样率提供了良好的测量精度。进一步,根据我们的经验,建议工程师在测量脉冲波时,保证上升沿有 5 个以上采样点,这样既确保了波形不失真,也提高了测量精度。

图 7 采样率与带宽的关系

图 8 采样率过低导致波形失真

提到采样率就不能不提存储深度。对 DSO 而言,这两个参量是密切相关的。

存储、存储深度

把经过 A/D 数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速 CMOS 存储器中,就是示波器的存储,这个过程是“写过程”。存储器的容量(存储深度)是很重要的。对于 DSO,其最大存储深度是一定的,但是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。

在存储深度一定的情况下,存储速度越快,存储时间就越短,他们之间是一个反比关系。存储速度等效于采样率,存储时间等效于采样时间,采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定,所以: 存储深度 = 采样率 × 采样时间(距离 =速度×时间)

力科示波器的时基(Time Base)标签即直观的显示了这三者之间的关系,如图 9 所示

图 9  存储深度、采样率、采样时间(时基)的关系

由于 DSO 的水平刻度分为 10 格,每格的所代表的时间长度即为时基(time base),单位是 t/div,所以采样时间= time base × 10. 由以上关系式我们知道,提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率:当要测量较长时间的波形时,由于存

关键字: 带宽 采样率 存储深度 示波器 关键指标 编辑:什么鱼 引用地址: http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic508815.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
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