深入分析示波器测试中的假波现象

　　在工程师使用示波器测量信号时，可能会发现不同的时基档下所测到的波形频率不同。如果这个信号并非是叠加信号，那么可能就是示波器出现假波现象了。本文重点分享示波器假波现象的形成原因以及处理方法。

　　一、数字示波器的假波现象

　　图 1.数字示波器观察到的假波现象

　　在使用数字示波器时，是否会遇到输入信号频率为10MHz，而示波器测量出来却是远小于10MHz频率的信号波形，你可能会认为这是一个高频率小信号叠加低频率大信号，请不要急着做这样的结论，可能此时已经出现了假波现象了。

　　图1给出信号实际波形和假波的图形，从图中可以直观的看出假波和实际波形的区别。随后会讨论假波形成原因、特征以及如何判断测量中是否出现假波现象。

　　二、假波现象形成的原因

　　了解假波现象如何形成，就得要知道数字示波器的工作原理。图2是数字示波器工作原理框图，与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。对样值存储后，数字示波器再重构波形。显然示波器是否能重现真实的信号波形，其中关键的步骤就是采样。根据奈奎斯特抽样定律，要保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真，采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上。可想而知，如果示波器采样速率不高，无法建立起精确的波形记录时，就会出现假波现象，如图1所示显示为低频信号波形，或者触发显示为不稳定的波形。

　　图 2.数字示波器工作原理框图

　　三、假波现象的判断方法

　　在实际测量中可以通过以下4个方法判断示波器测量的波形是否为假波。

　　注：测试输入为10MHz，峰峰值800mV的正弦波信号。所用示波器是广州致远电子有限公司自主研发的ZDS1104，带宽100MHz，最大采样率1GSa/s，最大储存深度28MKpts，支持4通道输入。

　　1.旋转“t/div”旋钮改变水平时基档，如果波形形状剧烈变化，则可能出现假波现象。

　　图 3.水平时基20us/div、采样率50MSa/s

　　图 4.水平时基100us/div、采样率10MSa/s

　　从图3和图4中可以看出，当水平时基档从“20us /div”增加到“100us /div”时，波形发生剧烈变化，频率为10MHz的信号示波器测量为4.98KHz，可以判断时基档在“100us /div”出现波形为假波。

　　数字示波器采样率fs和水平时基档(t/div)有如下关系：

　　其中数字示波器最大采样速率N是一个定值，可知水平时基档越大，采样率越小。水平时基档增加到“100us /div”时，采样率也从50MSa/s减小到10MSa/s，根据奈奎斯特抽样定律，此时的采样率小于信号频率的2倍，也就不能正确的重现波形了。

　　2.选择“峰值”捕获模式，如果波形形状剧烈变化，则可能有假波现象。

　　图 5.标准捕获模式

　　图 6.峰值捕获模式

　　“峰值”捕获模式，示波器将对最大值和最小值进行取样，因此可以检测更快的信号。图6中，捕获模式由“标准”改为“峰值”，采样率同样是10MSa/s，示波器显示的波形形状剧烈变化。可判断出图5中示波器显示波形为假波。

　　3.改变储存深度大小，如果波形形状剧烈变化，则可能有假波现象。

　　图 7.储存深度14Kpts

　　图 8.储存深度700Kpts

　　示波器的储存就是把经过A/D数字化后的二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中，内存的容量就是储存深度。储存深度M与采样率fs有这样的关系：

　　由以上关系可知，提高示波器的储存深度可以间接提高示波器的采样率。图8中，储存深度由14Kpts改为700Kpts，波形形状发生剧烈变化，可判断出图7示波器显示波形为假波现象。仔细观察图5、图6和图7，都是由于示波器设置储存深度过小，导致采样率不足造成假波的产生。

　　4.选择“峰峰值测量”，在改变水平时基档、储存深度或者选择“峰值捕获”，当波形出现剧烈变化时，若峰峰值不改变，则出现假波现象。

　　图3至图8中都标出了峰峰值测量“PK-PK”，当水平时基档、储存深度和捕获模式改变，无论示波器显示信号波形怎么变化，但是峰峰值800mV并没有发生变化，可以说明示波器显示的波形为假波现象。

　　五、总结

　　假波现象只会出现在数字示波器中，现在市场上基本都是数字示波器。

　　假波现象是由于采样率不足导致的。示波器最大的采样率是固定的，实际采样率是可变的，通过选择合适的时基档位和储存深度可以提高实际采样率，有效避免假波的产生。

　　示波器测量同一信号在不同时基档显示不相同频率波形时，请用以上4种方法判断是否为假波现象。