示波器的几个重要指标介绍

“ 第二篇介绍示波器的几个重要指标：带宽，采样率，内存深度，分辨率。如何选择这几个指标？以及对测量的影响。”

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示波器的带宽

带宽是示波器最重要的一个指标，它决定了这台示波器测量高频信号的能力。示波器带宽主要由前端的放大器等模拟器件的特性决定，示波器中的放大器的工作频点是从直流开始的，其增益随着输入信号的频率增高会逐渐下降。一般把放大器增益下降-3dB对应的频点称为这个放大器的带宽，示波器带宽是同样的定义。

图1 示波器带宽定义示意图

示波器实际测量的是电压信号，对于电压 dB=20log（A/B)， -3dB相当于示波器电压的增益随着频率增加下降到原来的0.707倍。示波器对带宽内的所有频率信号不是保持相同的测量精度，信号频率越接近带宽，测量结果的幅度误差越大。具体某个频点的衰减是多大，需要准确知道示波器的频响曲线。

如果没有充足的带宽，示波器将不能解析高频变化。幅度将失真，边沿将消失，细节也会丢失。为了确定准确检定特定应用中信号幅度所需的示波器带宽，应采用“五倍法则'。

示波器带宽>=信号的最高频率成分x5

示波器的带宽是示波器可以测量的幅度误差不超过-3dB的正弦波的频率值。对于数字信号，示波器的带宽至少应该比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果满足这一标准，该示波器就能议最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。

带宽越高，信号复现精度越高，如图2，这是250MHz, 1GHz, 5GHz三种带宽下捕获的信号。

图2. 250MHz, 1GHz, 5GHz三种带宽下捕获的信号

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示波器的采样率

被测信号经过前端放大，衰减等信号调整电路后，接下来是进行信号采样和数字量化。信号采样和数字化是通过高速的ADC转换器完成，示波器的采样率就是指对输入信号进行A/D转换时采样时钟的频率。

真正输入示波器的信号是连续的模拟信号，但是这样的信号无法用数字的方法进行描述和处理，数字化的过程就是用高速ADC对信号进行采样和量化的过程。经过模数转换后，模拟波形变成一个个连续变化的数字样点。

图3.采样示意图

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SF必须大于fmax的两倍以上才能确保采样值完全重构原来的信号。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完整的还原原始波形。如果采样率低于Nyquist采样率会导致混叠现象。

图4.采样率<2fmax,混叠失真

然而这一定理假设记录长度无穷大及连续信号。由于没有一台示波器能提供无穷大的记录长度，根据定义，毛刺也不是连续的，所以采样率仅为最高频率成分的两倍是不够的。

图5.采样率过低导致波形失真

在实践中，准确重建信号却决于采样率及填充样点间间隔使用的内插方法。某些示波器允许选择在测量正弦信号时使用sin（x)/x内插，在测量方波和其它信号时使用线性内插。

在使用正弦插值法时，为了准确再显信号，示波器的采样率至少为信号最高频率成分的2.5倍。使用线性插值法时，示波器的采样率应至少是信号最高频率成分的10倍。

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示波器的内存深度

对于高速的数字实时示波器，由于采样率很高，这个高速的数据以现有的数字处理技术是不能实时处理的。所以数字示波器都是先把信号采集一段到高速缓存中，然后再把缓存中的数据读出来显示。这段缓存的深度，也称为示波器的内存深度，决定了示波器在进行一次连续采集时的最长的时间长度。时间长度=内存深度/采样率。例如示波器采样率是80G Sa/s，内存深度是800k样点，总共采集的波形时间长度=800k/80G=10us。

很多示波器默认会根据示波器的时基刻度的调整自动调整内存深度，而当内存深度增加到最大仍不足保证采集时间，示波器通常会自动降低采样率。因此，在增加示波器的时基刻度时，需要注意观察示波器的采样率的变化。

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示波器的分辨率

对于数字示波器，ADC是把连续的模拟信号转换成离散的采样数据的关键器件，数据样点的水平时间分辨率取决于其采样率，而数据样点的垂直电压分辨率取决于量化的位数。在示波器中，为了提供尽可能高的带宽，使用的是Flash型ADC。

图6. Flash型ADC

Flash型ADC又称为并行ADC，如图6，假设ADC的位数为N位，则ADC输入满量程REF被2^N个完全相同的分压电阻等分为2^N-1份，后面跟随着2^N-1个比较器，输入信号经放大和采样后同时与这2^N-1个比较器进行比较，根据比较器的结果再进行译码就可以得出被测信号当前点的电压值。目前市面上绝大部分数字实时示波器使用的是8位的Flash 型ADC，其直流电压幅度的测量精度并不是太高。

• 示波器的直流电压测量精度：

示波器有直流测量精度能到多少？8位ADC，8bit的分辨率对于人眼观察波形足够，对于精度测量不太够，因为理论上固有量化误差就有满量程的1/256，再加上增益误差和偏置误差，实际直流测试精度在满量程的2%左右.

如果示波器当前的垂直刻度设置成1V/div的挡位，那么意味着测量值有8/256=31.25mV以内的误差。如果只用了4位，误差更大，所以建议在测量波形时，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。

如果希望进行更精确的直流测量，就需要其它测试仪器---万用表。数字万用表分手持和台式的，手持的表通常由3位半（十进制）的分辨率，台式表通常由5位半或6位半（十进制）的分辨率。6位十进制就代表百万分之一的分辨率。6位半的34401A台式万用表，其电压精度可以小于50ppm。万用表的直流精度远优于示波器，示波器的强项还是在于信号波形的测量上。