經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
[導(dǎo)讀]
本文分享了電子工程師研究中所做的總結(jié)，他并不是完整的選型指南，但是細(xì)致入微的觀察往往比空口無(wú)憑更具實(shí)際。本文分享了示波器參數(shù)的相關(guān)細(xì)節(jié)，希望對(duì)大家有所幫助。
本章主要討論一下示波器的核心
本文分享了電子工程師研究中所做的總結(jié)，他并不是完整的選型指南，但是細(xì)致入微的觀察往往比空口無(wú)憑更具實(shí)際。本文分享了示波器參數(shù)的相關(guān)細(xì)節(jié)，希望對(duì)大家有所幫助。
本章主要討論一下示波器的核心參數(shù)：模擬帶寬、采樣率、AD分辨率。
一、模擬帶寬
目前已經(jīng)有太多的文章介紹模擬示波器的帶寬，所以這里我不再花太多時(shí)間來(lái)介紹。簡(jiǎn)言之，帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時(shí)的頻率，如圖1所示，功率一半也就是電壓的1/ , 例如，用一個(gè)100MHz帶寬的示波器采集一個(gè)10MHz，1V的正弦波，此時(shí)示波器采集到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。隨著輸入信號(hào)頻率的增加到100MHz時(shí)，采集到的正弦波的振幅變?yōu)?.707V左右。
圖1 帶寬是功率一半或者-3dB時(shí)的頻率。如果輸入一個(gè)固定振幅的波形，增加信號(hào)頻率，-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實(shí)際幅值的0.707倍。
不幸的是，實(shí)際應(yīng)用中我們很可能需要測(cè)量的是方波（例如數(shù)字系統(tǒng)）而不是正弦波。因?yàn)椴杉讲ㄐ枰h(yuǎn)高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個(gè)帶寬是待測(cè)數(shù)字系統(tǒng)最高信號(hào)頻率5倍的示波器。例如，一個(gè)66MHz的時(shí)鐘信號(hào)需要一個(gè)330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫(xiě)一個(gè)模擬濾波器，先對(duì)方波進(jìn)行濾波，然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)濾波的結(jié)果。
圖2 用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)采樣的結(jié)果
二、采樣率
除了示波器的模擬帶寬外，采樣率也是非常重要的參數(shù)。采樣率的單位是MS/s（Megasamples per second）或GS/s(Gigasamples per second)。一般情況下，各個(gè)示波器公布的采樣率參數(shù)都是指單通道最高采樣率。如果一臺(tái)兩通道的示波器，公布的采樣率參數(shù)為1GS/s，兩個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每通道的最高采樣率為500MS/s。
所以，你需要多高的采樣率？對(duì)奈奎斯特定律熟悉的人，可能簡(jiǎn)單的認(rèn)為采樣率僅為待測(cè)信號(hào)帶寬的2倍即可。但是當(dāng)根據(jù)這個(gè)原則采集信號(hào)時(shí)，信號(hào)往往是失真的。當(dāng)然，更高的帶寬和采樣率下，這個(gè)定律是非常適用的，例如，5倍的采樣率。圖3顯示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此時(shí)，方波信號(hào)嚴(yán)重失真。然后，如果只將采樣率提到到100MS/s，一下子還真無(wú)法認(rèn)出是方波。與100MS/s的采樣率相比，500MS/s采樣率采集出來(lái)的信號(hào)更像是方波信號(hào)（但是由于示波器帶寬的限制，方波還是被磨平了一些）
圖3 用100MS/s采樣率采集25.3MHz的方波信號(hào)，嚴(yán)重失真。用500MS/s采集出來(lái)的信號(hào)看起來(lái)有點(diǎn)像方波信號(hào)的。
三、等時(shí)間采樣（ETS）
一些示波器有一個(gè)等時(shí)間采樣模式，一個(gè)快速采樣模式。如PicoScope 6000系列采樣率為5G/s, 其在ETS模式下，單通道采樣率能夠達(dá)到200GS/s，四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，ETS采樣率高達(dá)50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過(guò)AD采樣時(shí)鐘精確的相位偏移實(shí)現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號(hào)。因?yàn)橐欢螘r(shí)間之后，波形將重建。簡(jiǎn)言之，就是一個(gè)周期采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，下一個(gè)周期在采集一個(gè)采樣點(diǎn)，兩個(gè)采樣點(diǎn)有固定的相位差。采集多個(gè)周期之后，會(huì)將這些點(diǎn)合成一個(gè)周期的波形。
四、ADC分辨率
還有一個(gè)常常需要考慮的核心參數(shù)：AD分辨率。即模擬波形如何映射到數(shù)字波形的。一個(gè)8位的ADC表示可以將模擬波形分為28=256等份。例如示波器的測(cè)量范圍是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV.
這也告訴我們數(shù)字示波器一個(gè)事實(shí)：選擇盡可能小的測(cè)量范圍，以便于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測(cè)信號(hào)摻雜其他信號(hào)，例如一個(gè)帶負(fù)載的開(kāi)關(guān)，剛打開(kāi)的瞬間會(huì)有一個(gè)7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要測(cè)量該尖峰，那么你就不能用最小的測(cè)量范圍。
一個(gè)12位的分辨率的示波器，當(dāng)測(cè)量范圍為±5 V（峰峰值10V），將模擬信號(hào)分成212=4096等份，最小可分辨電壓為2.551mV。如果分辨率為16位，10V峰峰值電壓范圍被分為216=65536份，最小分辨電壓0.1526mV。一般情況下，我們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系列示波器是一個(gè)例外，因?yàn)樗试S你動(dòng)態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進(jìn)行切換。不過(guò)分辨率的選擇同時(shí)使用的通道數(shù)量和最高采樣率。
一般的示波器都是8位的ADC分辨率，當(dāng)然也有一些高分辨的示波器。但是這些高分辨率是固定的，無(wú)法改變。所以在購(gòu)買(mǎi)示波器時(shí)，我們必須選擇要買(mǎi)高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器（分辨率高，采樣率相對(duì)就低一些）。有些聰明的示波器廠家說(shuō)他們的示波器可以使用8-14位的分辨率，也可以選擇不同的采樣率。他們可以單賣(mài)采集板卡，讓用戶(hù)可以將原有的示波器升級(jí)到更高的分辨率。TiePie就是這樣做的。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廠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）。
許多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或軟件分辨率增強(qiáng)功能。這是通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)的一種軟件增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)可能對(duì)測(cè)量信號(hào)的帶寬有一定的影響。千萬(wàn)要注意，一個(gè)實(shí)際12位，100MHz帶寬的示波器跟通過(guò)8位分辨率，100MHz示波器軟件增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。
用示波器的FFT模式（通常稱(chēng)為頻譜分析儀模式），我們可以看到高分辨ADC和增強(qiáng)的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時(shí)域波形，那么我們可能不會(huì)注意14位分辨率的精確度或者其他。但是，如果需要測(cè)量諧波失真（THD），或者其需要精確測(cè)試頻率的應(yīng)用，高分辨是直觀重要的。
圖4 不同分辨率下的顯示效果
本章主要討論一下示波器的核心參數(shù)：模擬帶寬、采樣率、AD分辨率。
一、模擬帶寬
目前已經(jīng)有太多的文章介紹模擬示波器的帶寬，所以這里我不再花太多時(shí)間來(lái)介紹。簡(jiǎn)言之，帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時(shí)的頻率，如圖1所示，功率一半也就是電壓的1/ , 例如，用一個(gè)100MHz帶寬的示波器采集一個(gè)10MHz，1V的正弦波，此時(shí)示波器采集到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。隨著輸入信號(hào)頻率的增加到100MHz時(shí)，采集到的正弦波的振幅變?yōu)?.707V左右。
圖1 帶寬是功率一半或者-3dB時(shí)的頻率。如果輸入一個(gè)固定振幅的波形，增加信號(hào)頻率，-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實(shí)際幅值的0.707倍。
不幸的是，實(shí)際應(yīng)用中我們很可能需要測(cè)量的是方波（例如數(shù)字系統(tǒng)）而不是正弦波。因?yàn)椴杉讲ㄐ枰h(yuǎn)高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個(gè)帶寬是待測(cè)數(shù)字系統(tǒng)最高信號(hào)頻率5倍的示波器。例如，一個(gè)66MHz的時(shí)鐘信號(hào)需要一個(gè)330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫(xiě)一個(gè)模擬濾波器，先對(duì)方波進(jìn)行濾波，然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)濾波的結(jié)果。
圖2 用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)采樣的結(jié)果
二、采樣率
除了示波器的模擬帶寬外，采樣率也是非常重要的參數(shù)。采樣率的單位是MS/s（Megasamples per second）或GS/s(Gigasamples per second)。一般情況下，各個(gè)示波器公布的采樣率參數(shù)都是指單通道最高采樣率。如果一臺(tái)兩通道的示波器，公布的采樣率參數(shù)為1GS/s，兩個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每通道的最高采樣率為500MS/s。
所以，你需要多高的采樣率？對(duì)奈奎斯特定律熟悉的人，可能簡(jiǎn)單的認(rèn)為采樣率僅為待測(cè)信號(hào)帶寬的2倍即可。但是當(dāng)根據(jù)這個(gè)原則采集信號(hào)時(shí)，信號(hào)往往是失真的。當(dāng)然，更高的帶寬和采樣率下，這個(gè)定律是非常適用的，例如，5倍的采樣率。圖3顯示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此時(shí)，方波信號(hào)嚴(yán)重失真。然后，如果只將采樣率提到到100MS/s，一下子還真無(wú)法認(rèn)出是方波。與100MS/s的采樣率相比，500MS/s采樣率采集出來(lái)的信號(hào)更像是方波信號(hào)（但是由于示波器帶寬的限制，方波還是被磨平了一些）
圖3 用100MS/s采樣率采集25.3MHz的方波信號(hào)，嚴(yán)重失真。用500MS/s采集出來(lái)的信號(hào)看起來(lái)有點(diǎn)像方波信號(hào)的。
三、等時(shí)間采樣（ETS）
一些示波器有一個(gè)等時(shí)間采樣模式，一個(gè)快速采樣模式。如PicoScope 6000系列采樣率為5G/s, 其在ETS模式下，單通道采樣率能夠達(dá)到200GS/s，四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，ETS采樣率高達(dá)50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過(guò)AD采樣時(shí)鐘精確的相位偏移實(shí)現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號(hào)。因?yàn)橐欢螘r(shí)間之后，波形將重建。簡(jiǎn)言之，就是一個(gè)周期采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，下一個(gè)周期在采集一個(gè)采樣點(diǎn)，兩個(gè)采樣點(diǎn)有固定的相位差。采集多個(gè)周期之后，會(huì)將這些點(diǎn)合成一個(gè)周期的波形。
四、ADC分辨率
還有一個(gè)常常需要考慮的核心參數(shù)：AD分辨率。即模擬波形如何映射到數(shù)字波形的。一個(gè)8位的ADC表示可以將模擬波形分為28=256等份。例如示波器的測(cè)量范圍是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV.
這也告訴我們數(shù)字示波器一個(gè)事實(shí)：選擇盡可能小的測(cè)量范圍，以便于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測(cè)信號(hào)摻雜其他信號(hào)，例如一個(gè)帶負(fù)載的開(kāi)關(guān)，剛打開(kāi)的瞬間會(huì)有一個(gè)7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要測(cè)量該尖峰，那么你就不能用最小的測(cè)量范圍。
一個(gè)12位的分辨率的示波器，當(dāng)測(cè)量范圍為±5 V（峰峰值10V），將模擬信號(hào)分成212=4096等份，最小可分辨電壓為2.551mV。如果分辨率為16位，10V峰峰值電壓范圍被分為216=65536份，最小分辨電壓0.1526mV。一般情況下，我們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系列示波器是一個(gè)例外，因?yàn)樗试S你動(dòng)態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進(jìn)行切換。不過(guò)分辨率的選擇同時(shí)使用的通道數(shù)量和最高采樣率。
一般的示波器都是8位的ADC分辨率，當(dāng)然也有一些高分辨的示波器。但是這些高分辨率是固定的，無(wú)法改變。所以在購(gòu)買(mǎi)示波器時(shí)，我們必須選擇要買(mǎi)高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器（分辨率高，采樣率相對(duì)就低一些）。有些聰明的示波器廠家說(shuō)他們的示波器可以使用8-14位的分辨率，也可以選擇不同的采樣率。他們可以單賣(mài)采集板卡，讓用戶(hù)可以將原有的示波器升級(jí)到更高的分辨率。TiePie就是這樣做的。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廠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）。
許多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或軟件分辨率增強(qiáng)功能。這是通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)的一種軟件增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)可能對(duì)測(cè)量信號(hào)的帶寬有一定的影響。千萬(wàn)要注意，一個(gè)實(shí)際12位，100MHz帶寬的示波器跟通過(guò)8位分辨率，100MHz示波器軟件增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。
用示波器的FFT模式（通常稱(chēng)為頻譜分析儀模式），我們可以看到高分辨ADC和增強(qiáng)的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時(shí)域波形，那么我們可能不會(huì)注意14位分辨率的精確度或者其他。但是，如果需要測(cè)量諧波失真（THD），或者其需要精確測(cè)試頻率的應(yīng)用，高分辨是直觀重要的。
圖4 不同分辨率下的顯示效果
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