關於示波器的採樣率

2020-12-07 電子產品世界

很多年前，我剛學習示波器時，看到了一句英文，叫"Keep an eye on the Sampling Rate"。我將之翻譯成「時刻警惕採樣率"。這成為我一直在強調的高保真捕獲的6大原則之一。

採樣率這個概念是如此的簡單，以致人們覺得專門闢文談它都不是很必要。我想將我的「關於」系列寫成經典，硬著頭皮將這個基本概念作為我來鼎陽後的"第三碗剩飯"炒將起來。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/336523.htm

如果您是剛開始學習示波器，我的這篇文章和我的其它文章一樣，可以成為最好的教材，沒有之一。因為我有熱情、有耐心將這些基本概念寫出來，寫清楚，寫透徹，寫到位。有些水平一般的，寫不透徹;水平高的，不屑於寫,怕是被人誤認為水平太差。這就給我留下了堅持「炒剩飯」的意義感。也是因為我堅持「不裝X」,強調自己寫的東西是淺淺的東西，是"炒剩飯"，所以壓力也沒有那麼大。

為了滿足快閱讀的需要,列出這篇文章的6個小標題如下：

1，採樣過程反應了數字示波器的本質：將模擬信號離散為一個一個的採樣點

2，最高採樣率 VS當前採樣率

3，實時採樣率 VS等效採樣率（隨機採樣模式，插值算法）

4，欠採樣的影響

5，時刻警惕採樣率

6，採樣率和模擬帶寬及數字帶寬之間的關聯

採樣率（Sampling Rate)，顧名思義就是「採樣的速率」，就是單位時間內將模擬電平轉換成離散的採樣點的速率，譬如採樣率為4GSa/s就表示每秒採樣4G個點。Sa是Samples的縮寫。有些示波器廠商寫作4GS/s。當然，採用不同量綱的單位就是MSa/s、MS/s，KSa/s、KS/s，Sa/s，S/s。

1，採樣過程反應了數字示波器的本質：將模擬信號離散為一個一個的採樣點

數字示波器區別於模擬示波器的一個最大不同是將模擬信號進行離散化。我們常說的話是，「在數字世界裡，永遠只有0和1」。如何將那些各種不同形狀的模擬信號轉換成為0和1呢? 圖1和圖2表示了示波器將模擬信號離散化的過程。採樣-保持電路根據採樣時鐘將連續的模擬信號「等時間間隔地」、「實時地」轉換為離散的電平，離散的電平再經過模數轉換器（ADC）轉換為一系列的0和1。對於8位ADC來說，8個連續的0和1組成一個採樣點，代表了一個電平值。示波器將這些離散的採樣點直接顯示或將點和點通過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採樣點的個數就是「存儲深度(memory）」。

圖1 採樣-保持電路將模擬信號轉換成一個一個離散的電平

圖2 ADC將模擬信號離散化為0和1組成的採樣點

將圖1和圖2的離散化過程換個示意圖來表達，如圖3所示，離散的採樣點之間的間隔就是採樣周期，採樣周期的倒數就是採樣率。採樣率4GSa/s就表示兩個採樣點之間的間隔為500ps。在「點顯示」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間間隔的採樣點，打開示波器光標可以測量出兩個點之間的間隔即為採樣周期。

圖3 採樣周期表示相鄰兩個採樣點之間的間隔

2，最高採樣率 VS當前採樣率

在示波器的前面板上通常都會標識採樣率，如圖4所示是中國首款智能示波器SDS3000系列中的一款SDS3054，她的面板上標識了採樣率為 4GS/s，該採樣率就是指這臺示波器可以工作到的最高採樣率。

圖4 中國首款智能示波器SDS3054的面板上標識了最高採樣率4GS/s

但是，實際上示波器的「當前採樣率」受到存儲深度的限制，可能小於最高採樣率。隨著示波器採集時間的增加，採樣率會被強迫地自動下降。在圖5所示的設置下，當前的採樣率只有100MS/s。 也因此，我們要特別強調高保真捕獲的這個原則：時刻警惕採樣率。就是時刻警惕當前的「實時採樣率」。


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