經(jīng)驗總結(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，但是細致入微的觀察往往比空口無憑更具實際。本文分享了示波器參數(shù)的相關(guān)細節(jié)，希望對大家有所幫助。
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，但是細致入微的觀察往往比空口無憑更具實際。本文分享了示波器參數(shù)的相關(guān)細節(jié)，希望對大家有所幫助。
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間來介紹。簡言之，帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時的頻率，如圖1所示，功率一半也就是電壓的1/ , 例如，用一個100MHz帶寬的示波器采集一個10MHz，1V的正弦波，此時示波器采集到一個標準的正弦波。隨著輸入信號頻率的增加到100MHz時，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時的頻率。如果輸入一個固定振幅的波形，增加信號頻率，-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實際幅值的0.707倍。
不幸的是，實際應(yīng)用中我們很可能需要測量的是方波（例如數(shù)字系統(tǒng)）而不是正弦波。因為采集方波需要遠高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個帶寬是待測數(shù)字系統(tǒng)最高信號頻率5倍的示波器。例如，一個66MHz的時鐘信號需要一個330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫一個模擬濾波器，先對方波進行濾波，然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號濾波的結(jié)果。
圖2 用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號采樣的結(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。如果一臺兩通道的示波器，公布的采樣率參數(shù)為1GS/s，兩個通道同時使用時，每通道的最高采樣率為500MS/s。
所以，你需要多高的采樣率？對奈奎斯特定律熟悉的人，可能簡單的認為采樣率僅為待測信號帶寬的2倍即可。但是當根據(jù)這個原則采集信號時，信號往往是失真的。當然，更高的帶寬和采樣率下，這個定律是非常適用的，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，方波信號嚴重失真。然后，如果只將采樣率提到到100MS/s，一下子還真無法認出是方波。與100MS/s的采樣率相比，500MS/s采樣率采集出來的信號更像是方波信號（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，嚴重失真。用500MS/s采集出來的信號看起來有點像方波信號的。
三、等時間采樣（ETS）
一些示波器有一個等時間采樣模式，一個快速采樣模式。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到200GS/s，四個通道同時使用時，ETS采樣率高達50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過AD采樣時鐘精確的相位偏移實現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號。因為一段時間之后，波形將重建。簡言之，就是一個周期采集一個數(shù)據(jù)點，下一個周期在采集一個采樣點，兩個采樣點有固定的相位差。采集多個周期之后，會將這些點合成一個周期的波形。
四、ADC分辨率
還有一個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)字示波器一個事實：選擇盡可能小的測量范圍，以便于獲得更準確的測量結(jié)果。測量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測信號摻雜其他信號，例如一個帶負載的開關(guān)，剛打開的瞬間會有一個7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要測量該尖峰，那么你就不能用最小的測量范圍。
一個12位的分辨率的示波器，當測量范圍為±5 V（峰峰值10V），將模擬信號分成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系列示波器是一個例外，因為它允許你動態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進行切換。不過分辨率的選擇同時使用的通道數(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，無法改變。所以在購買示波器時，我們必須選擇要買高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器（分辨率高，采樣率相對就低一些）。有些聰明的示波器廠家說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。他們可以單賣采集板卡，讓用戶可以將原有的示波器升級到更高的分辨率。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功能。這是通過濾波實現(xiàn)的一種軟件增強技術(shù)。該技術(shù)可能對測量信號的帶寬有一定的影響。千萬要注意，一個實際12位，100MHz帶寬的示波器跟通過8位分辨率，100MHz示波器軟件增強技術(shù)實現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。
用示波器的FFT模式（通常稱為頻譜分析儀模式），我們可以看到高分辨ADC和增強的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時域波形，那么我們可能不會注意14位分辨率的精確度或者其他。但是，如果需要測量諧波失真（THD），或者其需要精確測試頻率的應(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間來介紹。簡言之，帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時的頻率，如圖1所示，功率一半也就是電壓的1/ , 例如，用一個100MHz帶寬的示波器采集一個10MHz，1V的正弦波，此時示波器采集到一個標準的正弦波。隨著輸入信號頻率的增加到100MHz時，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時的頻率。如果輸入一個固定振幅的波形，增加信號頻率，-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實際幅值的0.707倍。
不幸的是，實際應(yīng)用中我們很可能需要測量的是方波（例如數(shù)字系統(tǒng)）而不是正弦波。因為采集方波需要遠高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個帶寬是待測數(shù)字系統(tǒng)最高信號頻率5倍的示波器。例如，一個66MHz的時鐘信號需要一個330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫一個模擬濾波器，先對方波進行濾波，然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號濾波的結(jié)果。
圖2 用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號采樣的結(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。如果一臺兩通道的示波器，公布的采樣率參數(shù)為1GS/s，兩個通道同時使用時，每通道的最高采樣率為500MS/s。
所以，你需要多高的采樣率？對奈奎斯特定律熟悉的人，可能簡單的認為采樣率僅為待測信號帶寬的2倍即可。但是當根據(jù)這個原則采集信號時，信號往往是失真的。當然，更高的帶寬和采樣率下，這個定律是非常適用的，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，方波信號嚴重失真。然后，如果只將采樣率提到到100MS/s，一下子還真無法認出是方波。與100MS/s的采樣率相比，500MS/s采樣率采集出來的信號更像是方波信號（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，嚴重失真。用500MS/s采集出來的信號看起來有點像方波信號的。
三、等時間采樣（ETS）
一些示波器有一個等時間采樣模式，一個快速采樣模式。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到200GS/s，四個通道同時使用時，ETS采樣率高達50GS/s。
值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過AD采樣時鐘精確的相位偏移實現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號。因為一段時間之后，波形將重建。簡言之，就是一個周期采集一個數(shù)據(jù)點，下一個周期在采集一個采樣點，兩個采樣點有固定的相位差。采集多個周期之后，會將這些點合成一個周期的波形。
四、ADC分辨率
還有一個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)字示波器一個事實：選擇盡可能小的測量范圍，以便于獲得更準確的測量結(jié)果。測量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測信號摻雜其他信號，例如一個帶負載的開關(guān)，剛打開的瞬間會有一個7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要測量該尖峰，那么你就不能用最小的測量范圍。
一個12位的分辨率的示波器，當測量范圍為±5 V（峰峰值10V），將模擬信號分成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系列示波器是一個例外，因為它允許你動態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進行切換。不過分辨率的選擇同時使用的通道數(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，無法改變。所以在購買示波器時，我們必須選擇要買高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器（分辨率高，采樣率相對就低一些）。有些聰明的示波器廠家說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。他們可以單賣采集板卡，讓用戶可以將原有的示波器升級到更高的分辨率。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功能。這是通過濾波實現(xiàn)的一種軟件增強技術(shù)。該技術(shù)可能對測量信號的帶寬有一定的影響。千萬要注意，一個實際12位，100MHz帶寬的示波器跟通過8位分辨率，100MHz示波器軟件增強技術(shù)實現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。
用示波器的FFT模式（通常稱為頻譜分析儀模式），我們可以看到高分辨ADC和增強的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時域波形，那么我們可能不會注意14位分辨率的精確度或者其他。但是，如果需要測量諧波失真（THD），或者其需要精確測試頻率的應(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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