示波器原理及参数

示波器原理及参数

示波器按照实现功能分为模拟示波器和数字示波器，模拟示波器随着时代发展已经逐渐被淘汰，数字示波器正成为主流。这里主要介绍数字示波器的相关原理和主要参数。

数字存储示波器工作的基本原理:

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工作的基本原理，图示如下。

数字示波器的主要参数指标有三个：带宽，采样率，存储深度。

1.带宽

示波器带宽是指输入一个幅度相同，频率变化的信号，当示波器读数比真值衰减3dB时，此时的频率即为示波器的带宽。也就是说，输入信号在示波器带宽处测试值为真值-3dB，带宽不是示波器能显示的最高频率。一般情况下，示波器带宽应为所测信号最高频率的3~5倍。示波器带宽规格紧密相关的是其上升时间参数。具备高斯频响的示波器，按照10%到90%的标准衡量，上升时间约为0.35/fBW。具备最大平坦频响的示波器上升时间规格一般在0.4/fBW范围上，随示波器频率滚降特性的陡度不同而有所差异。如果在进行上升时间和下降时间参数测量时允许20%的定时误差，那么带宽为1GHz的示波器就能满足该数字测量应用的要求。但如果要求定时精度在3％范围内，那么采用带宽为2GHz的示波器更好。

2.采样率

采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。采样率即是单位时间内对信号进行采样的次数，单位为SPS或者Sa/s（Ex: 10GSa/s，即每秒采集10G个点，即100ps进行一次采样）。根据Nyquist采样定理，当对一个最高频率为fmax的带限信号进行采样时，采样频率fs要大于等于2倍fmax才能确保从采样值完全重构原来的信号。如果低于2fmax则会发生混叠。在这里我们又要提到数字带宽的概念，数字带宽即为采样率/2（对于数字带宽，实际带宽是不可能达到，上面参数1提到的带宽为模拟带宽，与数字带宽是两个概念）。

3.存储深度

“存储深度”是个翻译过来的词语,英文叫“Record Length”。有的将它翻译成“存储长度”，“记录长度”，等。它表示示波器可以保存的采样点的个数。存储深度是“1千万个采样点”，示波器厂商写作10Mpts,10MS或10M的都有。这里，pts可以理解为points的缩写，S理解为Samples的意思。

存储深度表现在物理介质上其实是某种存储器的容量，存储器英文就是“Memory”。该存储器容量的大小也就是“存储深度”。存储器保存满了，达到存储深度的极限之后怎么办？ 我们可以将示波器的存储器理解为环形存储器。示波器不断采样得到新的采样点会填充进来，老的采样点会自动地溢出，这样周而复始的过程直到示波器被“触发信号”“叫停”或者间隔一定长的时间被强迫“叫停”为止。“叫停”一次，示波器就将存储器中保存的这些采样点“搬移”到示波器的屏幕上显示。这两次“搬移”之间等待的时间相对于采样的时间极其漫长，被称为“死区时间”。

存储深度和采样率的关系

存储深度=采样率**采样时间。这是示波器中的第一关系式，因为很多工程师在使用示波器过程中因为忘记这个关系式而产生错误。例如当前示波器采样率为50MS/s，当前时基为20ms/div，因为水平轴是10格（有些示波器是12格或14格），因此采样时间为200ms, 50MS/s * 200ms = 10MS。就是说以50MS/s的采样率捕获200ms的波形，需要示波器的存储幅度是10MS。这和水缸里面注水是一个概念，如果“水龙头”的流速是每秒5千万（50M）滴水，那么持续向“水缸”注水200ms，水缸中就有了1千万（10M）滴水了。 就是这么简单的乘积关系。