关于示波器的采样率-汪进进

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1、关于示波器的采样率汪进进关于示波器的采样率汪进进深圳市鼎阳科技有限公司采样率（SamplingRate)，顾名思义就是“采样的速率”，就是单位时间内将模拟电平转换成离散的采样点的速率，譬如采样率为4GSa/s就表示每秒采样4G个点。Sa是Samples的缩写。有些示波器厂商写作4GS/s。当然，采用不同量纲的单位就是MSa/s、MS/s，KSa/s、KS/s，Sa/s，S/s。1，采样过程反应了数字示波器的本质：将模拟信号离散为一个一个的采样点数字示波器区别于模拟示波器的一个最大不同是将模拟信号进行离散化。我们常说的话是，“在数字世界里，永远只有0和1”。如何将那些各种不

2、同形状的模拟信号转换成为0和1呢?图1和图2表示了示波器将模拟信号离散化的过程。采样-保持电路根据采样时钟将连续的模拟信号“等时间间隔地”、“实时地”转换为离散的电平，离散的电平再经过模数转换器（ADC）转换为一系列的0和1。对于8位ADC来说，8个连续的0和1组成一个采样点，代表了一个电平值。示波器将这些离散的采样点直接显示或将点和点通过某种方式相连显示为示波器屏幕上的波形。示波器保存的离散的采样点的个数就是“存储深度(memory）”。FIELDEFFECTTRANSISTOR(FET)SWITCHHOLDCAPACITORINPUTWAVEFORMSAMPLEDWA

3、VEFORMSAMPLINGCLOCK图1采样-保持电路将模拟信号转换成一个一个离散的电平图2ADC将模拟信号离散化为0和1组成的采样点将图1和图2的离散化过程换个示意图来表达，如图3所示，离散的采样点之间的间隔就是采样周期，采样周期的倒数就是采样率。采样率4GSa/s就表示两个采样点之间的间隔为500ps。在“点显示”方式和“线性插值”模式下，将示波器屏幕上的波形展开，有些示波器能看出屏幕上等时间间隔的采样点，打开示波器光标可以测量出两个点之间的间隔即为采样周期。图3采样周期表示相邻两个采样点之间的间隔2，最高采样率VS当前采样率在示波器的前面板上通常都会标识采样率，如

4、图4所示是中国首款智能示波器SDS3000系列中的一款SDS3054，她的面板上标识了采样率为4GS/s，该采样率就是指这台示波器可以工作到的最高采样率。图4中国首款智能示波器SDS3054的面板上标识了最高采样率4GS/s但是，实际上示波器的“当前采样率”受到存储深度的限制，可能小于最高采样率。随着示波器采集时间的增加，采样率会被强迫地自动下降。在图5所示的设置下，当前的采样率只有100MS/s。也因此，我们要特别强调高保真捕获的这个原则：时刻警惕采样率。就是时刻警惕当前的“实时采样率”。图5示波器实际工作中的当前采样率是受限于存储深度的3，实时采样率VS等效采样率（随

5、机采样模式，插值算法）前面提到的最高采样率和当前采样率及采样率都默认为“实时采样率”(real-timesamplingrate)，最高采样采样率即为最高实时采样率，当前采样率即为当前实时采样率。和实时采样率相对应的一个名词是“等效采样率(effectivesamplingrate）"。等效采样率一般是指示波器工作在一种特别的采样模式（被称为随机采样模式或等效采样模式）下的术语。如图6所示为随机采样模式的工作原理示意图。示波器在该模式下的实时采样率如图示上方的一组图形的第1次捕获，第2次捕获，……，第N次捕获，这些单次分别捕获的过程中，采样点之间的时间间隔的倒数符合我们前

6、面所述的的采样率概念，是实时采样率。将这N次实时采样的采样点“合成”在一起的结果如图6的下图所示。这种随机采样模式要求被测信号是“周期的、重复的”信号，示波器要能识别出这种信号每一帧的“起始”和“结束”，在“起始”位置开始第1次采样，然后间隔进行第2次采样，再间隔进行第3次采样，……。那么这个就是等效采样周期，它的倒数就是等效采样率。这种模式下等效采样率可以达到几十GSa/s。这种采样模式也正是采样示波器的基本工作原理。采样示波器的实时采样率只有200KSa/s，但等效采样率可以做到很大。对于纯粹的正弦波信号的测量，使用等效采样模式是有效的。但是，实际被测信号往往并不是“

7、周期的、重复的”的信号，该工作模式的使用场合并不多。图6随机采样模式工作原理示意图另外一种等效采样率的说法和示波器的插值有关。在实时采样得到的离散的点和点之间插入若干个通过某种算法获得的“假点”的方法就叫插值。这里用“假点”这个说法是区别实时采样的点，便于理解。两个实时采样的点之间增加了9个点，等效采样率就相当于增加了10倍。在实时采样率是足够的情况下，插值可以增加计算结果的精度;但在实时采样率不够，而且被测信号是脉冲方波的情况下，插值会带来过冲和下冲的“假象”，让用户误以为被测信号并没有失真，但其实已经严重失真了。如图7所信