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示波器多大采樣率足夠?實(shí)測(cè)示波器不同采樣率對(duì)不同波形的影響

  采樣率作為示波器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一,直接影響到波形的準(zhǔn)確度和完整性。本文將探討示波器的采樣率對(duì)觀察不同波形的影響,并提供實(shí)用的選擇建議。

  示波器采樣率的重要性

  示波器的運(yùn)行原理如下圖所示:

  我們通過探頭給示波器輸入一個(gè)信號(hào),被測(cè)信號(hào)經(jīng)過示波器前端的放大、衰減等信號(hào)調(diào)理電路后,然后高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采樣和數(shù)字量化,示波器的采樣率就是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采樣時(shí)鐘的頻率,通俗的講就是采樣間隔,每個(gè)采樣間隔采集一個(gè)采樣點(diǎn)。比如1GSa/s的采樣率,代表示波器具備每秒鐘采集10億個(gè)采樣點(diǎn)的能力,此時(shí)其采樣間隔就是1納秒。

  對(duì)于實(shí)時(shí)示波器來說,目前普遍采用的是實(shí)時(shí)采樣方式。所謂實(shí)時(shí)采樣,就是對(duì)被測(cè)的波形信號(hào)進(jìn)行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣,然后根據(jù)這些連續(xù)采樣的樣點(diǎn)重構(gòu)或恢復(fù)波形。在實(shí)時(shí)采樣過程中,很關(guān)鍵的一點(diǎn)是要保證示波器的采樣率要比被測(cè)信號(hào)的變化快很多。

  那么究竟要快多少呢?按照數(shù)字信號(hào)處理中的奈奎斯特(Nyquist)定律, 如果被測(cè)信號(hào)帶寬是有限的,那么在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化時(shí),如果采樣率是被測(cè)信號(hào)帶寬的2倍以上,就可以完全重建或恢復(fù)出信號(hào)中承載的信息而不會(huì)產(chǎn)生混疊。

  如下圖就是采樣率不足導(dǎo)致的信號(hào)混疊,可以看到采集到的信號(hào)和原始信號(hào)相比,頻率變小了很多。

實(shí)測(cè)不同采樣率對(duì)不同波形的影響

  本文結(jié)合理論,分別用示波器對(duì)1.5MHz正弦波,1.5MHz方波,150kHz鋸齒波,150kHz三角波進(jìn)行實(shí)測(cè),看下不同采樣率對(duì)不同波形觀察的結(jié)果。

  這次我們使用麥科信(Micsig)高分辨率示波器MHO3-5004進(jìn)行測(cè)試;MHO3-5004具有 500MHz 帶寬、12bit垂直分辨率,3GSa/s 實(shí)時(shí)采樣率、4 個(gè)模擬通道、360Mpts 的存儲(chǔ)深度的專業(yè)參數(shù);同時(shí)擁有 3.58cm 的超薄設(shè)計(jì),可大幅節(jié)省桌面空間;配備14 英寸觸控屏,1920*1200 分辨率,在我們后面觀察波形的時(shí)候非常地清晰,同時(shí)搭載SigtestUI 專業(yè)測(cè)試系統(tǒng);操作界面簡(jiǎn)潔清晰、運(yùn)行流暢穩(wěn)定。

  1.正弦波

  我們先用信號(hào)發(fā)生器生成一個(gè)幅值為10V,頻率為1.5MHz的正弦波輸入到示波器,通過調(diào)節(jié)存儲(chǔ)深度和時(shí)基,將采樣率降到我們期望的值。如下圖中可以看出示波器此時(shí)的時(shí)基是2ms,存儲(chǔ)深度是36K,采樣率 = 存儲(chǔ)深度 /(時(shí)基*12),采樣率正好就是1.5MSa/s。

  可以看到,當(dāng)采樣率等于信號(hào)頻率的時(shí)候,示波器無法顯示正常的正弦波圖形,波形已經(jīng)失真,而左上角的硬件頻率計(jì)依然可以測(cè)得輸入的信號(hào)頻率在1.5MHz。我們將時(shí)基繼續(xù)打大,存儲(chǔ)深度固定不變,此時(shí)采樣率下降到了150KSa/s,可以看到示波器屏幕中可以看出信號(hào)是正弦波,但是信號(hào)的頻率從真實(shí)的1.5MHz下降到了9.204Hz,也就是發(fā)生了上述采樣率不足導(dǎo)致的信號(hào)混疊。

  接下來我們將時(shí)基調(diào)小,這樣采樣率就變大了,一直調(diào)到采樣率為信號(hào)頻率的4倍和10倍來觀察信號(hào)變化,也就是6MSa/s和15MSa/s。下圖中左邊的信號(hào)就是6MSa/s采樣率下的,可以看到信號(hào)的頻率變回了1.5MHz,也就是信號(hào)正確的頻率值。但是原本的正弦波變成了三角波,波形已經(jīng)失真。當(dāng)采樣率變?yōu)?5MSa/s時(shí),也就是下圖右邊的信號(hào),可以看到信號(hào)越來越接近正弦波的樣子了,但依然不是很漂亮。

  我們繼續(xù)減少時(shí)基,使得采樣率為信號(hào)頻率的20倍,也就是30MSa/s,此時(shí)可以看到比較漂亮的正弦波,可以得出結(jié)論,觀察1MHz的正弦波,采樣率最好可以至少達(dá)到其20倍以上,才可以比較好地還原信號(hào)真實(shí)的樣子。

  2.方波

  同樣的方式對(duì)1.5MHz方波進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,采樣率為1.5MSa/s,測(cè)出的信號(hào)變成了直線,結(jié)果如下圖所示:

  測(cè)1MHz方波,采樣率為60KSa/s,測(cè)出信號(hào)頻率變成了9.222Hz,信號(hào)混疊,如下圖:

  測(cè)1.5MHz方波,采樣率為3MSa/s,測(cè)出信號(hào)方波變成了鋸齒波,如下:

  下面分別是測(cè)1.5MHz方波,采樣率為15MSa/s、60MSa/s、150MSa/s時(shí)測(cè)出的波形:

  由此可以看出,測(cè)量1.5MHz方波對(duì)采樣率的要求比測(cè)量1.5MHz正弦波要高很多。測(cè)量1.5MHz正弦波在20倍的采樣率下就可以接近真實(shí)信號(hào),而測(cè)量1.5MHz方波即使到了40倍上升沿依然坡度比較明顯的不直。其主要原因在于1.5MHz的方波只是其基波頻率1.5MHz,而他其中還含有更高頻次的諧波。因此,對(duì)于方波信號(hào),采樣率只滿足基波頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

  上圖為:測(cè)1.5MHz正弦波,采樣率為30MSa/s

  3.三角波

  下面來測(cè)試一下150kHz,10V的三角波:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為150kSa/s,如下圖:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為15kSa/s,頻率從150kHz變成了923.1mHz,注意是m不是M,1000mHz= 1Hz,如下圖:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為1.5MSa/s,頻率顯示正常了,但是波形不正,電壓也有差異,如下圖:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為15MSa/s,頻率顯示正常了,波形也正了,電壓還存在一些差異:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為150MSa/s,頻率顯示正常了,波形也正了,電壓也正常了,采樣率是波形頻率的1000倍,如下圖:

  4.鋸齒波

  最后我們來看下150kHz鋸齒波:

  測(cè)150kHz鋸齒波,采樣率為150kSa/s,如下圖:

  測(cè)150kHz鋸齒波,采樣率為15kSa/s,頻率從150kHz變成了924mHz,如下圖:

  測(cè)150kHz鋸齒波,采樣率為300kSa/s,頻率顯示正常了,但是波形不正,電壓也有差異:

  測(cè)150kHz鋸齒波,采樣率為3MSa/s,頻率顯示正常了,波形正了,電壓有差異,如下圖:

  測(cè)150kHz三角波,采樣率為150MSa/s,頻率顯示正常了,波形也正了,電壓也正常了,如下圖:

  總結(jié)

  通過以上一系列的實(shí)際測(cè)試,相信大家對(duì)于被測(cè)信號(hào)應(yīng)該要多大采樣率有所了解,有時(shí)候發(fā)現(xiàn)測(cè)出波形和想象中的相差甚遠(yuǎn),也可以從采樣率的角度去考慮原因。

  關(guān)于麥科信

  深圳麥科信科技有限公司是一家行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的信號(hào)測(cè)試測(cè)量設(shè)備研發(fā)制造商和方案提供商,國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè),專精特新企業(yè)。麥科信(Micsig)致力于信號(hào)測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域前沿技術(shù)的研究和開發(fā),尤其在示波器及示波器探頭產(chǎn)品領(lǐng)域我們一直走在創(chuàng)新的前沿,是平板示波器開創(chuàng)者,光隔離探頭引領(lǐng)者。

  我們秉承使命和愿景,從專業(yè)出發(fā),不斷突破技術(shù)邊界,助力每一位電子領(lǐng)域工作者與所在組織更加高效和卓越。

  我們每一項(xiàng)創(chuàng)新只為突破產(chǎn)品的技術(shù)邊界,為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)探索新的可能。

  公司主營(yíng)產(chǎn)品有示波器系列:高分辨率示波器,平板示波器,汽車診斷示波器,分體式示波器,示波器探頭系列:光隔離探頭,高壓差分探頭,柔性電流探頭(羅氏線圈),高頻交直流電流探頭,低頻交直流電流探頭等。

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