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2021年03月31日 | 示波器的采样率和存储深度在实际操作有什么用？
2021-03-31 来源：eefocus
上周我们调研了泰克(Tektronix)和力科(LeCroy)这两个牌子的2/4/8通道的示波器的基本指标，如带宽、通道数、采样率、上升时间以及记录长度，如图1所示。
图 1 泰克(Tektronix)和力科(LeCroy)典型的示波器
今天我们主要来讨论一下采样率和记录长度的关系。首先，记录长度也被称为存储深度，它表征的是示波器可以存储的最大点数。
在使用示波器的时候，记录长度和我们的操作有什么关系呢？且听我慢慢道来。
图 2 示波器示意图
如图 2 所示为示波器的示意图，屏幕上横向有10个格子，也就是10div。当我们旋示波器时基旋钮的时候，改变的就是每一个div代表的时间长度。
例如，10ms/div，即横向的每一个div代表的是10ms，那么整个屏幕范围内的时间总长度就是100ms。这个时间也就是我们后面会提到的示波器采样时间T。
根据采样时间、记录长度以及采样率的关系：
采样率 = 记录长度 / 采样时间
而采样时间又和示波器的时基设置有关：
采样时间 = 时基 (T/div) *10div
当我时基设置较大时，如 10ms/div，则此时采样时间T=100ms。当记录长度为1Mpts时，根据采样率公式，在此情况下的采样率可计算为 10MS/s，在这个采样率下，波形将会发生较大的畸变。
同理，当我们示波器的窗口时基设置为100us/div时，采样时间T=1ms，此时仍按照1Mpts的存储深度来计算，采样率为1GS/s，在某些示波器中，该采样率已经达到最高采样率。
下面以实际测试来做一个验证，如图3所示为我们实验室的3台示波器。
图 3 实验室有的示波器
首先，以泰克Tekronix-DPO2014B示波器为例，带宽为100MHz、采样率为1GS/s，存储深度为1Mpts。
根据前面的公式以及简单的计算可以知道，当我们设置示波器窗口时基≤100us/div时，此时示波器以最高采样率1GS/s进行采样。而当我们设置示波器窗口＞100us/div时，此时示波器以实际的采样率进行采样，可能出现欠采样。
图4-10为100MHz的示波器在不同采样率下测量一个占空比为50%的1MHz的方波，实测波形如下。
图 4 时基10ms/div 采样率 10MS/s
图 5 时基4ms/div 采样率 25MS/s
图 6 时基1ms/div 采样率 100MS/s
图 7 时基400us/div 采样率 250MS/s
图 8 时基100us/div 采样率 1GS/s
图 9 时基40us/div 采样率 1GS/s
图 9 时基10us/div 采样率 1GS/s
可以看出，在不同的采样率下，1MHz的方波是完全不一样的，在采样率小的情况下，被测到的方波出现了“吉布斯效应”。这个现象在我们200MHz的示波器上体现的更加明显。
下面我们对泰克Tekronix-MDO3024的200MHz的示波器也做了同样的测试，结果如下所示。
图 10 时基200ms/div 采样率 5MS/s
图 11 时基100ms/div 采样率 10MS/s
图 12 时基20ms/div 采样率 50MS/s
图 13 时基10ms/div 采样率 100MS/s
图 14 时基4ms/div 采样率 250MS/s
图 15 时基2ms/div 采样率 500MS/s
图 16 时基800us/div 采样率 1.25GS/s
图 17 时基400us/div 采样率 2.5GS/s
图 18 时基200us/div 采样率 2.5GS/s
由图10-18可以看出，在不同的采样率下，采样率越高，被测的方波被还原得也越精确。当采样率低于一定的程度，如≤500MS/s时，被测方波将出现一定程度的畸变以及过冲现象。
根据方波的傅里叶级数展开，我们写了一段程序观测在不同的谐波含量下，方波的合成情况。
图 19 最大谐波数 = 1
图 20 最大谐波数 = 3
图 21 最大谐波数 = 5
图 22 最大谐波数 = 7
图 23 最大谐波数 = 31
图 24 最大谐波数 = 70
图 25 最大谐波数 = 100
图 26 最大谐波数 = 1000
总结：
我们在使用示波器的时候，应尽量把窗口时基(T/DIV)调小，让示波器工作在其最高采样率下。当我们时基过大的时候，由于存储深度不变，此时采样时间过长必然会导致示波器自动降低采样率，即平均每个周期内的点数少了，波形还原就不准确了。
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