關(guān)于示波器的采樣率

采樣率這個(gè)概念是如此的簡單，以致人們覺得專門辟文談它都不是很必要。我想將我的“關(guān)于”系列寫成經(jīng)典，硬著頭皮將這個(gè)基本概念作為我來鼎陽后的"第三碗剩飯"炒將起來。

如果您是剛開始學(xué)習(xí)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?yàn)槲矣袩崆?、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，不屑于寫,怕是被人誤認(rèn)為水平太差。這就給我留下了堅(jiān)持“炒剩飯”的意義感。也是因?yàn)槲覉?jiān)持“不裝X”,強(qiáng)調(diào)自己寫的東西是淺淺的東西，是"炒剩飯"，所以壓力也沒有那么大。

為了滿足快閱讀的需要,列出這篇文章的6個(gè)小標(biāo)題如下：

1，采樣過程反應(yīng)了數(shù)字示波器的本質(zhì)：將模擬信號(hào)離散為一個(gè)一個(gè)的采樣點(diǎn)

2，最高采樣率 VS當(dāng)前采樣率

3，實(shí)時(shí)采樣率 VS等效采樣率（隨機(jī)采樣模式，插值算法）

4，欠采樣的影響

5，時(shí)刻警惕采樣率

6，采樣率和模擬帶寬及數(shù)字帶寬之間的關(guān)聯(lián)

采樣率（Sampling Rate)，顧名思義就是“采樣的速率”，就是單位時(shí)間內(nèi)將模擬電平轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)的速率，譬如采樣率為4GSa/s就表示每秒采樣4G個(gè)點(diǎn)。Sa是Samples的縮寫。有些示波器廠商寫作4GS/s。當(dāng)然，采用不同量綱的單位就是MSa/s、MS/s，KSa/s、KS/s，Sa/s，S/s。

1，采樣過程反應(yīng)了數(shù)字示波器的本質(zhì)：將模擬信號(hào)離散為一個(gè)一個(gè)的采樣點(diǎn)

數(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)最大不同是將模擬信號(hào)進(jìn)行離散化。我們常說的話是，“在數(shù)字世界里，永遠(yuǎn)只有0和1”。如何將那些各種不同形狀的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0和1呢? 圖1和圖2表示了示波器將模擬信號(hào)離散化的過程。采樣-保持電路根據(jù)采樣時(shí)鐘將連續(xù)的模擬信號(hào)“等時(shí)間間隔地”、“實(shí)時(shí)地”轉(zhuǎn)換為離散的電平，離散的電平再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為一系列的0和1。對于8位ADC來說，8個(gè)連續(xù)的0和1組成一個(gè)采樣點(diǎn)，代表了一個(gè)電平值。示波器將這些離散的采樣點(diǎn)直接顯示或?qū)Ⅻc(diǎn)和點(diǎn)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采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)就是“存儲(chǔ)深度(memory）”。

圖1 采樣-保持電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)一個(gè)離散的電平

圖2 ADC將模擬信號(hào)離散化為0和1組成的采樣點(diǎn)

將圖1和圖2的離散化過程換個(gè)示意圖來表達(dá)，如圖3所示，離散的采樣點(diǎn)之間的間隔就是采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣率。采樣率4GSa/s就表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔為500ps。在“點(diǎn)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(shí)間間隔的采樣點(diǎn)，打開示波器光標(biāo)可以測量出兩個(gè)點(diǎn)之間的間隔即為采樣周期。

圖3 采樣周期表示相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔

2，最高采樣率 VS當(dāng)前采樣率

在示波器的前面板上通常都會(huì)標(biāo)識(shí)采樣率，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(biāo)識(shí)了采樣率為 4GS/s，該采樣率就是指這臺(tái)示波器可以工作到的最高采樣率。

圖4 中國首款智能示波器SDS3054的面板上標(biāo)識(shí)了最高采樣率4GS/s

但是，實(shí)際上示波器的“當(dāng)前采樣率”受到存儲(chǔ)深度的限制，可能小于最高采樣率。隨著示波器采集時(shí)間的增加，采樣率會(huì)被強(qiáng)迫地自動(dòng)下降。在圖5所示的設(shè)置下，當(dāng)前的采樣率只有100MS/s。 也因此，我們要特別強(qiáng)調(diào)高保真捕獲的這個(gè)原則：時(shí)刻警惕采樣率。就是時(shí)刻警惕當(dāng)前的“實(shí)時(shí)采樣率”。