2021年08月05日 | 示波器入门-示波器采样和采集模式

今天我们介绍示波器的采样和采集模式

采样概述

要了解示波器的采样和采集模式，需要先了解采样原理、混叠、示波器带宽和采样率、示波器上升时间、所需的示波器带宽以及存储器深度对采样率的影响。

采样原理

尼奎斯特采样定理 规定，对于具有最大频率 fMAX 且带宽有限的信号，等距采样频率 fS 必须大于最大频率 fMAX 的两倍，这样才能唯一地重建信号而不会产生混叠。

混叠 当信号采样不足 (fS < 2fMAX) 时，将发生混叠。混叠属于信号失真，是由于错误地从数量不足的采样点重建低频率而导致的。

图 24 混叠

示波器带宽和采样率

示波器带宽通常是指按 3 dB （-30% 幅度误差）衰减输入信号正弦波的最低频率。 对于示波器带宽，采样原理规定所需的采样率为 fS = 2fBW。但该原理假设频率分量都在 fMAX （在此情况下是 fBW）以下，并且需要具有理想的砖墙频率响应的系统。

图 25 理论上的砖墙频率响应

然而，数字信号的频率分量在基本频率 （方波由基本频率的正弦波和数量不限的 奇次谐波组成）之上，通常，对于 1 Ghz 及以下带宽，示波器具有高斯频率响应。

图 26 采样率和示波器带宽

因此，实际上，示波器的采样率应为其带宽的四倍或以上：fS = 4fBW。这样就会 减少混叠，并且混叠的频率分量会出现更大的衰减量。

示波器上升时间

与示波器的带宽规格密切相关的是其上升时间规格。具有高斯类型的频率响应的 示波器的上升时间约为 0.35/fBW （基于 10% 至 90% 标准）。 示波器的上升时间不是示波器可精确测量的最快边沿速度。它是示波器可能产生 的最快边沿速度。

所需的示波器带宽

精确测量信号所需的示波器带宽主要由信号的上升时间而不是信号的频率决定。

您可以使用以下步骤计算所需的示波器带宽：

1 确定最快的边沿速度。 通常可从设计中使用的已发布设备规格中获得上升时间信息。

2 计算最大 “ 实际 ” 频率分量。 根据 Dr. Howard W. Johnson 的著作 《High-Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》所述，所有快速边沿都有数量不限的频率分量。 但是，快速边沿的频谱中存在一个转折点 （或称 “ 拐点 ”），在这个转折点 上，高于 fknee 的频率分量在确定信号形状时可以忽略不计。

fknee = 0.5 / 信号上升时间 （基于 10% - 90% 阈值）
fknee = 0.4 / 信号上升时间 （基于 20% - 80% 阈值）

3 对所需的精度使用倍增因数以确定所需的示波器带宽。

存储器深度和采样率

示波器存储器的点数是固定的 （在通道对之间分开时除外），存在一个与示波器 的模数转换器关联的最大采样率；但是，实际采样率由采集时间 （根据示波器的 水平时间 / 格定标设置）确定。

采样率 = 采样数 / 采集时间

例如，将 10 us 的数据存储在存储器的 10,000 个点中时，实际采样率是 1 GSa/s。

同样，将 1 us 的数据存储在存储器的 10,000 个点中时，实际采样率是 10 kSa/s。

实际采样率显示在 “ 水平 ” 菜单中 。 示波器通过丢弃 （减少）不需要的样本来获得实际采样率。

如何选择采样模式

示波器可在实时或等效时间采样模式中操作。 可在 “ 采集 ” 菜单 （通过按下 采集 [Acquire] 前面板按钮访问）中选择示波器的采样模式。

选择实时采样模式

在实时采样模式下，按统一的间隔对单个波形采样。请参见图 27。

图 27 实时采样模式

在捕获 （不重复）单冲波形或脉冲波形时使用实时采样模式。

1000B 系列示波器提供最高 500 MSa/s （打开两个通道时）或 1 GSa/s （打开 一个通道时）的实时采样率。

选择实时采样模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，选择采样来选择 “ 实时 ” 采样模式。

在实时采样模式中，当水平刻度设置为 20 ns 或更快速度时，示波器将使用 sine(x)/x 插值扩展水平时基。

选择等效时间采样模式

在等效时间采样模式 （又称为重复采样）下，将对多个波形进行采样，采用随机触发的不同延时产生更高效的采样率。

图 28 等效时间 （重复）采样模式

在等效时间采样模式下，有效采样率 将更高，因为采集样本的间隔时间较短。

等效时间采样模式需要具有稳定触发器的重复波形。

可使用等效时间采样模式捕获重复的高频信号，其采样率高于实时采样模式下提供的采样率。

请不要对单冲事件或脉冲波形使用等效时间模式。

当采样率与实时采样模式下提供的采样率相同时，等效时间采样模式的优点可以忽略不计。

在 1000B 系列示波器中，等效时间采样模式可以实现最高 40 ps 的水平分辨率 （相当于 25 GSa/s）。

选择等效时间采样模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，选择采样来选择 “ 等效时间 ” 采样模式。

选择采集模式

示波器可在 “ 普通 ”、“ 平均 ” 或 “ 峰值检测 ” 采集模式下工作。

可在 “ 采集 ” 菜单 （通过按下采集 [Acquire] 前面板键访问）中选择示波器的 采集模式。

选择 “ 普通 ” 采集模式

在 “ 普通 ” 采集模式下，将按顺序进行采集并显示。

选择 “ 普通 ” 采集模式：

1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。
3 继续按下采集方式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 普通 ”。

选择 “ 平均 ” 采集模式

在 “ 平均 ” 采集模式下，将进行采集并显示指定数量的采集的分组平均值。

使用 “ 平均 ” 采集模式可从波形中除去随机噪声，提高测量精度。

图 30 未进行平均的噪声波形

图 31 进行平均后的噪声波形

“ 平均 ” 采集模式可降低屏幕刷新率。

选择 “ 平均 ” 采集模式：

1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。
3 继续按下采集方式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 平均 ”。
4 按下平均次数并转动 输入旋钮以选择所需的数字 （2、4、8、16、32、 64、128 或 256）。

选择 “ 峰值检测 ” 采集模式

在 “ 普通 ” 或 “ 平均 ” 采集模式下，如果水平时间 / 格设置得较长，示波器的模数转换器的采样速度将使所产生的样本数超过示波器的数量有限的存储器能够存储的数量。

因此，一些样本将被丢弃 （减少），并且可能会漏掉信号中的窄偏移。 但在 “ 峰值检测 ” 采集模式下，将以最快的采样率进行采集，并存储与实际采样率关联的周期的最小值和最大值。这样，您就可以捕获水平时间 / 格设置较长的信号的窄偏移。

图 32 峰值检测波形

由于存储了采样周期的最小值和最大值，因此可使用 “ 峰值检测 ” 采集模式以避免波形混叠。

选择 “ 峰值检测 ” 采集模式：

1 按下采集 [Acquire]。

2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。

打开 / 关闭 sine(x)/x 插值

在将采样点显示为矢量 （不是点）并且打开 sine(x)/x 插值时，将在采样点之间绘制曲线。

如果关闭 sine(x)/x 插值，则绘制直线。

只有在将水平刻度设置为 20 ns 或更快速度时，sine(x)/x 插值的效果才明显。

1 按下采集 [Acquire]。

2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下 Sinx/x 使 sine(x)/x 插值 “ 关闭 ” 或 “ 打开 ”。

如何录制 / 回放示波器波形

可从输入通道或波罩测试输出中录制波形，使用 1000 帧的最大采集深度。 能够记录波罩测试输出对于长时间捕获异常波形非常有用。

录制波形

录制波形：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下波形录制。
3 在 “ 波形录制 ” 菜单中，按下模式。
4 继续按下模式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 录制 ”。

选择要录制的源通道

1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 信源选择。

选择要录制的帧数

1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 终止帧。

开始 / 停止录制

1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按下 操作开始或停止录制。

选择已录制帧之间的间隔

1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 时间间隔。

6大技巧帮助您充分利用认知你的示波器，涵盖基本的触发功能，探头选择，信号缩放调试，正确的采集模式等等。