處理數(shù)字示波器測量問題

DSO（數(shù)字示波器）與模擬示波器相比有很多優(yōu)勢，但正如他們所說，“世上沒有的午餐。” 數(shù)字示波器對波形進(jìn)行采樣、數(shù)字化和存儲，讓您可以測量、分析和存檔信號。但是，抽樣過程帶來了一些問題，如“包袱”。

混疊（本頁）、同步采樣（第 2 頁）和插值器（第 3 頁）錯誤可能會導(dǎo)致您誤解測量結(jié)果，除非您了解這些問題。正如您所料，大多數(shù) DSO 制造商不會花很多時間談?wù)撠?fù)面問題，因此了解它們是一種發(fā)現(xiàn)體驗。讓我們檢查這些問題并討論如何檢測并希望解決這些問題。

混疊 支配 

所有數(shù)字儀器和系統(tǒng)的采樣定理要求信號的采樣率大于信號中包含的頻率的兩倍。如果信號被正確采樣，則示波器可以從樣本中重建它而不會丟失信息。欠采樣，或采樣頻率低于頻率分量的兩倍，會導(dǎo)致恢復(fù)信號的分量頻率低于原始信號，這種不需要的信號稱為混疊。采樣率的一半稱為奈奎斯特頻率，它標(biāo)志著在該采樣率下可以數(shù)字化的頻率。

圖 1 提供了一個混疊示例。左上方網(wǎng)格中的波形是一個 400 MHz 正弦波，采樣速率為 1 (GSamples/s。每個周期有 2? 個樣本，如左側(cè)頂部第二個網(wǎng)格中顯示的水平擴展縮放軌跡所示。請注意，這是沒有插值的原始采樣數(shù)據(jù)。在左側(cè)從頂部數(shù)第三個軌跡中應(yīng)用了 sin(x)/x 插值。這是大多數(shù) DSO 將顯示的內(nèi)容，因為這是它們的默認(rèn)顯示插值器。

圖 1. 當(dāng)一個 400 MHz 信號被欠采樣時，它會失去信號保真度并且會出現(xiàn)混疊。

左側(cè)底部跡線是輸入信號的 FFT（快速傅立葉變換），顯示信號的頻譜或頻域視圖。正如該信號所預(yù)期的那樣，它在 400 MHz 處顯示了一個頻譜峰值。

右上方網(wǎng)格中的波形是相同的 400 MHz 正弦波，采樣率為 500 Msamples/s。采樣率低于信號頻率的兩倍并且信號混疊。右側(cè)從上數(shù)第二個網(wǎng)格是混疊跡線的縮放視圖。請注意，信號頻率較低。在本例中為 100 MHz。下一條較低的跡線是應(yīng)用了插值的混疊信號?；殳B跡線的 FFT 在 100 MHz 處有一個頻率峰值。請注意，F(xiàn)FT 跡線在 250 MHz 處被截斷，這是 500 MS/s 采樣率的奈奎斯特頻率。

因為圖 1 是非動畫圖形，所以混疊波形看起來具有穩(wěn)定的觸發(fā)，但實際上并非如此。觸發(fā)電平設(shè)置為零伏，正斜率和無混疊波形顯示正確的觸發(fā)電平?；殳B波形僅具有非混疊波形的每隔一個樣本點，并且會在與觸發(fā)點相鄰的樣本之間跳躍。這會導(dǎo)致具有水平“抖動”的跡線。

研究混疊的方法可能是在頻域中查看它。采樣類似于模擬混音過程。它本質(zhì)上是將采樣波形乘以采樣時鐘，采樣時鐘通常是一個非常窄的脈沖。采樣時鐘富含諧波。采樣/混頻過程產(chǎn)生的頻率分量包括被采樣的原始基帶信號、采樣時鐘及其所有諧波，以及采樣信號關(guān)于每個采樣時鐘諧波的下邊帶圖像和上邊帶圖像，如圖2的上視圖所示。

圖 2. 在頻域中查看的采樣過程顯示了正確采樣和混疊采樣。

基帶信號分量近似于典型 DSO 的頻率響應(yīng)。帶寬通常在響應(yīng)的“拐點”處指定，并在帶寬限制以上快速衰減“滾降”響應(yīng)。由于在示波器帶寬之上可能存在頻譜分量，因此大多數(shù)制造商以帶寬的 2.5 倍或更大的頻率進(jìn)行采樣，以防止該區(qū)域出現(xiàn)混疊分量。

降低采樣率會將頻譜的采樣頻率分量及其所有諧波移動到頻域顯示的左側(cè)。當(dāng)采樣頻率附近的下邊帶分量與基帶信號相交時，就會出現(xiàn)混疊，如下圖所示。一旦頻譜分量重疊，就不再可能對生成的波形進(jìn)行濾波以恢復(fù)原始基帶信號。

示波器設(shè)計人員通常嘗試通過多種方式來限制混疊。首先，他們選擇的采樣頻率遠(yuǎn)大于過采樣所需的頻率。奈奎斯特頻率 3 到 20 倍的頻率并不少見。接下來，他們延長了采集記憶。即使在使用長采集時，這也能保持高采樣率。選擇 DSO 時，您應(yīng)該知道需要進(jìn)行的持續(xù)時間采集，然后選擇具有足夠內(nèi)存的儀器來支持信號所需帶寬所需的采樣率。

圖 3 說明了采集存儲器長度如何影響示波器的采樣率。此圖表將采樣率繪制為示波器時間/格設(shè)置的函數(shù)，并將采集內(nèi)存長度作為參數(shù)。

圖 3. 1 GHz 帶寬示波器的采樣率與時間/格設(shè)置的關(guān)系圖，采樣率為 20 Gsamples/s。請注意，一旦采樣率降至 2 Gsamples/s 或更低，示波器將混疊 1 GHz 的信號。

本例中的示波器具有 20 Gsamples/s 的采樣率和 1 GHz 的帶寬。只要采樣率在 2 Gsamples/s 以上，采集的數(shù)據(jù)就是有效的。如果采樣下降到恰好 2 Gsamples/s 或更少，則數(shù)據(jù)可能混疊。隨著時間/格設(shè)置的增加，采樣率保持在 20 Gsamples/s，直到所有采集內(nèi)存都被占用。超過那個點，采樣率就會下降。因此，對于 10 ksamples 的采集內(nèi)存長度，采樣率在 50 ns/格時降至 2 Gsamples/s。內(nèi)存長度為 100 ksamples，示波器在采樣率降至 2 Gsamples/s 之前可以達(dá)到 5 μs/格。隨著采集內(nèi)存的增加，采樣率在更多時間/格設(shè)置中保持在臨界 2 Gsamples/s 以上。所以采集內(nèi)存越長，

在操作數(shù)字示波器時，您應(yīng)該從可用的快掃描速度開始——每格設(shè)置的短時間，以檢測和避免混疊。這樣做將導(dǎo)致的采樣率。當(dāng)您增加時間/格設(shè)置時，請注意波形。如果發(fā)生混疊，波形的頻率會突然下降；當(dāng)它發(fā)生時，它是非常戲劇性的。如果確實遇到混疊，請查看是否可以增加采集內(nèi)存的深度以提高采樣率。