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2021年08月13日 | 采样示波器和实时示波器的原理与各自优势
2021-08-13 来源：eefocus
今天下班的时候，小伙伴突然问我什么是实时示波器，什么是采样示波器，有什么区别，各自都有什么优势。我想大家虽然都经常用示波器，可能也不会太关注我们使用的是实时示波器还是采样示波器。下面我就从实时示波器和采样示波器的原理、两种示波器的优劣、选择两种示波器时应注意的问题来说一下实时示波器和采样示波器的区别。
1. 实时示波器
1.1 模拟示波器
购买过或者关注过示波器价格的人听到实时示波器的时候，第一反应可能是这个示波器价格挺高，采样速率很快。其实当年我们使用的模拟示波器就是实时示波器。模拟示波器一般采用阴极射线管的CRT显示屏，模拟示波器内部产生周期信号控制荧光屏电子枪的水平偏转，输入信号经过放大之后，控制荧光屏电子枪的垂直方向偏转，这样就在CRT屏幕上形成了被测信号幅度随时间变化的波形。为了保证信号在电子屏上稳定的显示，还需要让电子屏水平扫面周期和被测信号周期同步，所以模拟示波器中一般还带有相应的触发电路。从模拟示波器的原理可以看出，当信号输入之后，就可以控制电子枪垂直偏转从而在示波器屏幕上实时显示，是当之无愧的实时示波器哦。
模拟示波器这么实时，原理简单，价格又便宜，为什么大家现在很少用了呢？很多人可能会说，现在是数字时代，一切都要数字化。这也有一定的道理，从技术上看，细心的同学可能会发现被测信号要经过放大然后控制电子枪垂直偏转，放大器的带宽是制约模拟示波器带宽的一个重要因素。即便随着技术的不断发展，放大器的带宽已经可以做到上GHZ，但是我们不要忽略CRT电子枪的偏转速度也不是很高，这可能是当下制约模拟示波器带宽的最主要原因（数字实时示波器采用CRT显示或者液晶显示刷新速度不够时，也会影响其性能，当然不是带宽），现在模拟示波器很少有带宽大于500Mhz的。同时模拟示波器缺乏存储能力，不能对数据进行分析；同时由于其实时性太好，对于突发信号和单次信号的捕捉能力较差。
1.2 数字实时示波器（Digital Storage Oscilloscope）
现在大家说的数字实时示波器，一般是指数字存储示波器。大家可以关注一下自己的示波器上有没有写Digital Storage Oscilloscope。数字存储示波器和模拟示波器电路类似，分为水平控制部分和垂直控制部分，比模拟示波器多了显示处理部分。垂直控制部分包括信号前置预处理电路（放大或者衰减）、垂直方向预放大电路、ADC、存储单元、数据处理部分；水平控制部分包括衰减和放大电路、触发比较电路、延迟电路以及采样控制电路；显示处理部分主要将采样数据经过处理后输出到显示器上。具体原理图如下：
数字存储示波器在一个触发信号到来之后，以一个特定的速率迅速采集触发信号之后的波形，如下图所示。
数字存储示波器的优势在于其高速ADC对数据进行采样并存储，与后端的处理和显示隔离开来，使得示波器的带宽不会受到后端处理速度和显示速度的影响。可以从硬件带宽、采样速率以及存储深度三个方面来考虑实时示波器的性能。硬件带宽主要决定示波器对不同频率信号的通过能力，如果将示波器的测量与采集看成一个2端口网络，其实硬件带宽可以看成是传输损耗，也即S21。采样速率也会影响示波器的带宽，根据奈奎斯特定律可以知道，要想重建波形，采样速率必须不小于2倍信号频率。不过随着欠采样技术的发展，有时候重建波形的采样速率也会小于信号频率的2倍。
说到存储深度，我们先来说一下死区时间。由于数字存储示波器一般采样速率极高，迅速会将存储器填满，这时由于后端的数据处理和显示部分比较慢，就要停止对信号的采样，待数据处理和显示部分将数据处理完之后，再进行下一次采集，这样中间就会间隔一段时间，这段时间就是死区时间。死区时间过长会导致大量的测量数据遗漏。较大的存储深度可以减少死区时间，减少测量数据的遗漏。
数字存储示波器需要高速ADC和高速存储单元，而且高速数字设计难度也较大，所以一般价格较高。
2. 采样示波器
采样示波器的全名为等效时间采样示波器，主要针对周期信号测量设计。与实时示波器不同，采样示波器在每次触发信号到来时只对数据采样一次，下次触发时，在触发信号后添加一个很小的延迟对信号再进行采样，直到采样到一个完整的周期波形。所以采样示波器在采样时，必须有一个触发事件。具体如下图：
总结：
实时示波器有点主要在于：（1）：可以显示单次瞬态事件；（2）：不需要周期的波形；（3）：可以直接测量周期-周期抖动；
采样示波器优点在于：（1）：不需要高速ADC，可以采用高精度ADC，提高电平分辨率；（2）：抖动和本地噪声较低；（3）：可以测量TDR；（4）：成本较低
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史海拾趣
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