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2020年01月03日 | 为什么示波器波形放大之后会有锯齿？

2020-01-03 来源：elecfans

常用示波器的工程师都会发现一个现象，当示波器停止采样时，将原来的波形垂直放大后会存在锯齿状，这是什么原因呢？这里跟跟大家一起剖析一下。

一、台阶波形

本文以ZDS4054Plus示波器为测试工具，图 1 如所示波形是在 200mv/div 档位下采样的，波形相对平稳。停止采样后，如果将垂直档位调至 50mv/div，则波形出呈现严重的锯齿状，如图 2 所示。为此很多人感到疑惑，为什么会出现这种现象？

图1 原信号波形

图2 放大后波形

二、原因阐述

1、运行状态下

当示波器处于【Run】时，示波器模拟前端会根据不同的垂直档位，始终会将信号的幅度调理到 ADC合适的范围内，再进行量化，所以运行状态下的波形放大，不会存在锯齿现象。

· 在 200mv/div 的档位下，垂直分辨率（25 LSB/div）为 8mv

· 在 50mv/div 的档位下，垂直分辨率（25 LSB/div）为 2mv

垂直档位越小，分辨率越高，则采集到的波形测量精度就越高，这个就是推荐波形尽量铺满格子的原因。

2、停止状态下

在停止状态下波形不进行采集，也就是停止状态无论垂直档位怎么变化，仍然会保持停止时（200mv/div）的垂直精度 8mv，所以当把波形的垂直方向放大 4 倍时（50mv/div），那么采样点与采样点之间的垂直距离就会变大，当然这仅仅只是进行数字化放大，示波器此时会进行插值保持，插值保持下波形会以阶梯的形式连接，这也是产生锯齿的原因。

图3 插值保持

三、理解误区：插值保持与插值算法有关么？

前面我们提到了插值保持，那么有的工程师可能就会想到，会不会是由于插值算法的原因导致了波形放大后出现了锯齿状呢？毕竟线性插值是以点的方式连接，出现锯齿状也很正常。答案是否定的，下面从原理层来分析一下。

首先解释一下何谓插值算法，对于很多示波器都会有不同的插值模式，常见的分为正弦插值和线性插值，在实际使用过程中，如果示波器ADC的采样率不足以恢复真实信号，我们需选择不同的插值方式进行测试分析：

1、正弦插值

正弦内插是示波器默认的插值方式，也是最常用的插值方式。通过正弦内插的方式，能够比较准确和平滑地还原真实波形信号。利用曲线来连接样点，通用性更强。这种方法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。如图4所示为采样正弦插值的方式，观察到的放大后的波形。

图4 正弦插值

2、线性插值

线性内插是最简单的插值方式，计算量最小。在ADC的相邻采样数据点之间按照线性多项式的计算方式插入一个计算值，插入的这个点为相邻两个采样点连线上的值。如下图5所示位采用线性内插方式测试波形，是通过点与点之间的直接连接形成的波形，细节上能够看到类似于锯齿波的形状，这种插值方式局限于直边缘的信号。

图5 线性插值

通过这两种插值方式对比，大家会发现正弦内插利用曲线连接采样点，线性内插通过点与点之间的连接形成波形，大家可能会倾向于线性插值的原因形成了放大之后的锯齿状。需要注意的是：插值算法是在ADC采样时进行的，当采样停止后，示波器才会进行插值保持，插值保持下采样点之间会以阶梯的形式连接，因此示波器停止下的放大只是单纯的数字化放大，是示波器插值保持的结果，这与使用何种插值算法完全无关。

四、总结

因此无论前面采用的是何种插值方式，采样停止后放大的波形都会以锯齿状呈现出来，这是插值保持的原因，也是完全正常的。因此，我们在观测波形的时候一定要让波形尽量铺满整个屏幕，如果波形出现了锯齿，也要清楚锯齿的原因来自于哪里。

示波器波形放大锯齿

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