采样率对示波器带宽的影响

采样率对示波器带宽的影响 在针对某个测量需求而选择示波器 时，我们首先考虑的第一件事就是需要 多大 的带宽才能精确地重建我们的信 号。毕竟，示波器的带宽能够告诉我们 将保持多大的频谱频率以及能够兼容的 最大信号跳变速度。 我们在指定某台示波器时都要指出 它的额定带宽 ，例如 “500MHz XYZ 型”，有些示波器甚至在其型号中内嵌 的带宽下降。但是，奈奎斯特定理也在 理论上假设了一个滤波器，称为 “砖墙 式”滤波器，它不仅能够通过所有低于 带宽截止频率界限的频率分量，而且消 除了所有高于此带宽的频率分量 (如图 1所示)。具有硬件／软件砖墙式滤波功 能的高性能滤波器可能能够兼容低达 2，5倍带宽的采样速率。但是对于主流 示波器，这种滤波器通常是不现实的， 了带宽指标。但是，这种 “标题式”的 也是不需要的。 指标仅仅给出了示波器前端电路所容许 的最大带宽。示波器的有效带宽，以及 你所能捕捉 、存储和显示的信号的最大 频率分量取决于它的采样速率，而采样 速率又受限于其采样存储器的深度。 简单分析带宽、采样速率和存储器 深度三者之间的关系，有助于我们掌握 选择示波器的权衡 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 以及如何减轻它 们对带宽的影响，从而实现更可信的测 量。 快速回顾奈奎斯特定理 我们熟悉的奈奎斯特一香农定理指 出，信号正确重构的条件是 ：采样率至 少是信号最高频率的两倍。如果我们假 设所有的采样在时间上都是等间隔的， 那么所有示波器的采样速率必须保持为 其额定带宽的两倍 ，以避免被捕捉信号 x(D } ． 删 +B w f 图 在理想的砖墙式滤波器下．采样速率 逼近奈奎斯特 香农采样定理的2倍以上的 理论限制 在通常的主流示波器中，其滤波器 的衰减并不像这样迅速 (如图2所示)。 这些滤波器的实现方式都比较经济，它 - -3dB l fnqu。nq ——+ 图2实际的示波器输入滤波器特征采用了 更加保守的过采样速率，一般为4倍 安捷伦科技公司 Phil Stearns 们的时域响应都是比较容易预测的。所 需的权衡之处在于 ，必须采用更加保守 的采样速率，过采样带宽要达到 4倍以 上。只要我们保持4倍的过采样速率，那 么就可以保证示波器的额定带宽。但 是，任何会引起采样速率下降的因素都 会导致低于额定带宽频率的失真问题。 存储器的影响 存储器容量与采样速率是两个相互 影响的指标。因为在任何扫描时间 (t／ div)的设置下，示波器的显示窗口大小 都是固定的，所以没有一种能够让时间 和存储容量同时达到最大化的设置。但 是，更重要的是要保持数据采集(采样) 的速率，即示波器的带宽，以便能够利 用所有的存储器。 通过简单的计算即可得到填充显示 窗口所需的数据点数量： 每波形点数 = 采样速率 ×t／div× 分区数 目 例如，某个示波器具有5GS／s的采 样速率，10时间分割设置为100ns／div。 那么每波形点数等于5×109点／s×100 ×109s／div×10div，即 500点。 只要示波器有足够大的存储容量来 填充显示窗口，那么采样速率就可以保 持不变。但是 ，如果保持这样高的采样 今 日电子 · 2007年8月 _ 维普资讯 http://www.cqvip.com 速率，那么就会导致数据量超过存储器 的最大容量，我们必须降低采样速率， 以填充所分配的时间区间。 通过下列图形 (如图3所示)，我们 失真现象。这出现在1 s／div设置下。 这时，采样速率的任何下降都会导致示 波器的有效带宽降低。 很容易理解如何降低采样速率以达到较 结论 慢 的 扫描 速 度 。 假 设 现 在 有 两 台 500MHz带宽的示波器，其中具有较大 存储容量的示波器可以在更多的设置下 维持较高的采样速率。这说明什么呢? 让我们重新进行奈奎斯特分析。 示波器 1在500ns／div以上的所有 t／div设置下采用最大8倍带宽的过采 样速率，在500ns／div点之后采样速率 开始下降。但是，直到采样速率低于 2GS／s(4倍过采样)时才会引起明显的 我们从以上的分析中可以得出三个 结论：带宽受限于示波器的有效采样速 率。在较慢的t／div(扫描时间)速度下 采样速率会降低。增大数据采集存储容 量可以推迟采样速率开始下降的起始 点。 容易将你的示波器时标设置与你所观察 波形的频谱分量匹配起来——快速的条 边沿需要快速的扫描速度。如果你需要 观察既包含慢事件又包含快事件的复杂 信号 (例如调制信号或趋势信号)，你应 该考虑将小存储容量的示波器 (低于 10 万次采样)换成具有较大存储容量的示 波器 (至少 1×10 次采样)。 如果无法改变当前的设备选择，可 以将整个分析过程分成几个便于管理的 步骤。利用较慢的t／div设置分析较慢 这些结论对示波器的选择与调试方 的信号趋势，然后切换到较快的扫描时 法有哪些影响呢?实际上这取决于你所 观察的信号。如果你比较注重信号采样 (例如信号上跳沿和瞬时事件)，那么很 11m b瑚 1 10 100 1I 10 ns／dlv ns／dlv ns／div I!Js／dlv ps／dlv 100 1 10 100 1 ps／d~ ms／dlv msidlv ms／dlv s／dlv 11mobase — ScoPe1：4 GsamplesJs，20kmemory— Scope 2：4 G．samples／s．500kmemory 图3必须降低采样速率以便用足够的显示数据填充存储器 (左) 采样速率的降低限制了示波器的有效带宽 (右) _置I 今日电子。2。。7年8月 间设置分析高带宽信号事件。如果采用 这一方法，可以采用上述计算过程画出 示波器的t／div与带宽之间的关系。 对于单发探测 (Sing1 e—Sh0t acquisition)而言，带宽和有效采样速 率之间的权衡策略是相同的，但是它的 思维模型和有关结论稍微有些不同。在 单发探测中，我们希望采样时间尽可能 得长 (和测量所需的时间一样长)，采样 的速度尽可能得快。高采样速率对于保 持信号保真度，同时放大单个跳变的信 号细节是非常重要的。它通过一次采样 即可准确测量信号的大事件和微小事件。 如果无法保持高采样速率 (带宽)，那么 应该通过单独的采样测量这些事件。 结束语 本文的分析有助于读者理解示波器性 能的一些重要特征，值得注意的是，这里 对带宽、采样速率和存储容量之间关系的 分析仍然比较粗略。实际的带宽问题更加 复杂，其中有些因素，例如通带平坦度和 频率衰减，需要更深入的分析。 囹 咖 啪咖 咖伽加， 0 ∞ ∞ ∞ ， ．¨． ∞^ Bl直E再窖J ， J．； 羹 一 菲 维普资讯 http://www.cqvip.com