经验总结：示波器核心参数的背后隐藏的“奥秘”
时间：2018-08-03 10:40:21
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[导读]
本文分享了电子工程师研究中所做的总结，他并不是完整的选型指南，但是细致入微的观察往往比空口无凭更具实际。本文分享了示波器参数的相关细节，希望对大家有所帮助。
本章主要讨论一下示波器的核心
本文分享了电子工程师研究中所做的总结，他并不是完整的选型指南，但是细致入微的观察往往比空口无凭更具实际。本文分享了示波器参数的相关细节，希望对大家有所帮助。
本章主要讨论一下示波器的核心参数：模拟带宽、采样率、AD分辨率。
一、模拟带宽
目前已经有太多的文章介绍模拟示波器的带宽，所以这里我不再花太多时间来介绍。简言之，带宽就是功率的一半或者-3dB幅度时的频率，如图1所示，功率一半也就是电压的1/ , 例如，用一个100MHz带宽的示波器采集一个10MHz，1V的正弦波，此时示波器采集到一个标准的正弦波。随着输入信号频率的增加到100MHz时，采集到的正弦波的振幅变为0.707V左右。
图1 带宽是功率一半或者-3dB时的频率。如果输入一个固定振幅的波形，增加信号频率，-3dB的位置即是示波器的电压幅值为实际幅值的0.707倍。
不幸的是，实际应用中我们很可能需要测量的是方波（例如数字系统）而不是正弦波。因为采集方波需要远高于基本波形的频率。最常用的原则是选择一个带宽是待测数字系统最高信号频率5倍的示波器。例如，一个66MHz的时钟信号需要一个330MHz带宽的示波器。
我用Python 脚本编写一个模拟滤波器，先对方波进行滤波，然后绘制出滤波结果。图2 显示了分别用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号滤波的结果。
图2 用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号采样的结果
二、采样率
除了示波器的模拟带宽外，采样率也是非常重要的参数。采样率的单位是MS/s（Megasamples per second）或GS/s(Gigasamples per second)。一般情况下，各个示波器公布的采样率参数都是指单通道最高采样率。如果一台两通道的示波器，公布的采样率参数为1GS/s，两个通道同时使用时，每通道的最高采样率为500MS/s。
所以，你需要多高的采样率？对奈奎斯特定律熟悉的人，可能简单的认为采样率仅为待测信号带宽的2倍即可。但是当根据这个原则采集信号时，信号往往是失真的。当然，更高的带宽和采样率下，这个定律是非常适用的，例如，5倍的采样率。图3显示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此时，方波信号严重失真。然后，如果只将采样率提到到100MS/s，一下子还真无法认出是方波。与100MS/s的采样率相比，500MS/s采样率采集出来的信号更像是方波信号（但是由于示波器带宽的限制，方波还是被磨平了一些）
图3 用100MS/s采样率采集25.3MHz的方波信号，严重失真。用500MS/s采集出来的信号看起来有点像方波信号的。
三、等时间采样（ETS）
一些示波器有一个等时间采样模式，一个快速采样模式。如PicoScope 6000系列采样率为5G/s, 其在ETS模式下，单通道采样率能够达到200GS/s，四个通道同时使用时，ETS采样率高达50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采样率是通过AD采样时钟精确的相位偏移实现的。该模式适用于稳定的周期信号。因为一段时间之后，波形将重建。简言之，就是一个周期采集一个数据点，下一个周期在采集一个采样点，两个采样点有固定的相位差。采集多个周期之后，会将这些点合成一个周期的波形。
四、ADC分辨率
还有一个常常需要考虑的核心参数：AD分辨率。即模拟波形如何映射到数字波形的。一个8位的ADC表示可以将模拟波形分为28=256等份。例如示波器的测量范围是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能够分辨的最小电压为10V/256=39.06mV.
这也告诉我们数字示波器一个事实：选择尽可能小的测量范围，以便于获得更准确的测量结果。测量范围±1V，8位分辨率分辨的最小电压7.813mV。但是往往待测信号掺杂其他信号，例如一个带负载的开关，刚打开的瞬间会有一个7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要测量该尖峰，那么你就不能用最小的测量范围。
一个12位的分辨率的示波器，当测量范围为±5 V（峰峰值10V），将模拟信号分成212=4096等份，最小可分辨电压为2.551mV。如果分辨率为16位，10V峰峰值电压范围被分为216=65536份，最小分辨电压0.1526mV。一般情况下，我们需要在高分辨率慢速ADC和低分辨率快速ADC之前作出取舍。但是Pico Technology 的柔性分辨率5000系列示波器是一个例外，因为它允许你动态的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率进行切换。不过分辨率的选择同时使用的通道数量和最高采样率。
一般的示波器都是8位的ADC分辨率，当然也有一些高分辨的示波器。但是这些高分辨率是固定的，无法改变。所以在购买示波器时，我们必须选择要买高分辨率的示波器还是高采样率的示波器（分辨率高，采样率相对就低一些）。有些聪明的示波器厂家说他们的示波器可以使用8-14位的分辨率，也可以选择不同的采样率。他们可以单卖采集板卡，让用户可以将原有的示波器升级到更高的分辨率。TiePie就是这样做的。除了之前提到的柔性分辨率示波器，Pico Technology 也有最高14位的固定高分辨率示波器。一些其他大的示波器厂家也有高分辨率示波器。例如 力科HRO高分辨率示波器（12位分辨率）。
许多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或软件分辨率增强功能。这是通过滤波实现的一种软件增强技术。该技术可能对测量信号的带宽有一定的影响。千万要注意，一个实际12位，100MHz带宽的示波器跟通过8位分辨率，100MHz示波器软件增强技术实现12位分辨率是不一样的。
用示波器的FFT模式（通常称为频谱分析仪模式），我们可以看到高分辨ADC和增强的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上观看时域波形，那么我们可能不会注意14位分辨率的精确度或者其他。但是，如果需要测量谐波失真（THD），或者其需要精确测试频率的应用，高分辨是直观重要的。
图4 不同分辨率下的显示效果
本章主要讨论一下示波器的核心参数：模拟带宽、采样率、AD分辨率。
一、模拟带宽
目前已经有太多的文章介绍模拟示波器的带宽，所以这里我不再花太多时间来介绍。简言之，带宽就是功率的一半或者-3dB幅度时的频率，如图1所示，功率一半也就是电压的1/ , 例如，用一个100MHz带宽的示波器采集一个10MHz，1V的正弦波，此时示波器采集到一个标准的正弦波。随着输入信号频率的增加到100MHz时，采集到的正弦波的振幅变为0.707V左右。
图1 带宽是功率一半或者-3dB时的频率。如果输入一个固定振幅的波形，增加信号频率，-3dB的位置即是示波器的电压幅值为实际幅值的0.707倍。
不幸的是，实际应用中我们很可能需要测量的是方波（例如数字系统）而不是正弦波。因为采集方波需要远高于基本波形的频率。最常用的原则是选择一个带宽是待测数字系统最高信号频率5倍的示波器。例如，一个66MHz的时钟信号需要一个330MHz带宽的示波器。
我用Python 脚本编写一个模拟滤波器，先对方波进行滤波，然后绘制出滤波结果。图2 显示了分别用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号滤波的结果。
图2 用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号采样的结果
二、采样率
除了示波器的模拟带宽外，采样率也是非常重要的参数。采样率的单位是MS/s（Megasamples per second）或GS/s(Gigasamples per second)。一般情况下，各个示波器公布的采样率参数都是指单通道最高采样率。如果一台两通道的示波器，公布的采样率参数为1GS/s，两个通道同时使用时，每通道的最高采样率为500MS/s。
所以，你需要多高的采样率？对奈奎斯特定律熟悉的人，可能简单的认为采样率仅为待测信号带宽的2倍即可。但是当根据这个原则采集信号时，信号往往是失真的。当然，更高的带宽和采样率下，这个定律是非常适用的，例如，5倍的采样率。图3显示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此时，方波信号严重失真。然后，如果只将采样率提到到100MS/s，一下子还真无法认出是方波。与100MS/s的采样率相比，500MS/s采样率采集出来的信号更像是方波信号（但是由于示波器带宽的限制，方波还是被磨平了一些）
图3 用100MS/s采样率采集25.3MHz的方波信号，严重失真。用500MS/s采集出来的信号看起来有点像方波信号的。
三、等时间采样（ETS）
一些示波器有一个等时间采样模式，一个快速采样模式。如PicoScope 6000系列采样率为5G/s, 其在ETS模式下，单通道采样率能够达到200GS/s，四个通道同时使用时，ETS采样率高达50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采样率是通过AD采样时钟精确的相位偏移实现的。该模式适用于稳定的周期信号。因为一段时间之后，波形将重建。简言之，就是一个周期采集一个数据点，下一个周期在采集一个采样点，两个采样点有固定的相位差。采集多个周期之后，会将这些点合成一个周期的波形。
四、ADC分辨率
还有一个常常需要考虑的核心参数：AD分辨率。即模拟波形如何映射到数字波形的。一个8位的ADC表示可以将模拟波形分为28=256等份。例如示波器的测量范围是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能够分辨的最小电压为10V/256=39.06mV.
这也告诉我们数字示波器一个事实：选择尽可能小的测量范围，以便于获得更准确的测量结果。测量范围±1V，8位分辨率分辨的最小电压7.813mV。但是往往待测信号掺杂其他信号，例如一个带负载的开关，刚打开的瞬间会有一个7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要测量该尖峰，那么你就不能用最小的测量范围。
一个12位的分辨率的示波器，当测量范围为±5 V（峰峰值10V），将模拟信号分成212=4096等份，最小可分辨电压为2.551mV。如果分辨率为16位，10V峰峰值电压范围被分为216=65536份，最小分辨电压0.1526mV。一般情况下，我们需要在高分辨率慢速ADC和低分辨率快速ADC之前作出取舍。但是Pico Technology 的柔性分辨率5000系列示波器是一个例外，因为它允许你动态的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率进行切换。不过分辨率的选择同时使用的通道数量和最高采样率。
一般的示波器都是8位的ADC分辨率，当然也有一些高分辨的示波器。但是这些高分辨率是固定的，无法改变。所以在购买示波器时，我们必须选择要买高分辨率的示波器还是高采样率的示波器（分辨率高，采样率相对就低一些）。有些聪明的示波器厂家说他们的示波器可以使用8-14位的分辨率，也可以选择不同的采样率。他们可以单卖采集板卡，让用户可以将原有的示波器升级到更高的分辨率。TiePie就是这样做的。除了之前提到的柔性分辨率示波器，Pico Technology 也有最高14位的固定高分辨率示波器。一些其他大的示波器厂家也有高分辨率示波器。例如 力科HRO高分辨率示波器（12位分辨率）。
许多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或软件分辨率增强功能。这是通过滤波实现的一种软件增强技术。该技术可能对测量信号的带宽有一定的影响。千万要注意，一个实际12位，100MHz带宽的示波器跟通过8位分辨率，100MHz示波器软件增强技术实现12位分辨率是不一样的。
用示波器的FFT模式（通常称为频谱分析仪模式），我们可以看到高分辨ADC和增强的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上观看时域波形，那么我们可能不会注意14位分辨率的精确度或者其他。但是，如果需要测量谐波失真（THD），或者其需要精确测试频率的应用，高分辨是直观重要的。
图4 不同分辨率下的显示效果
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