示波器的实时采样率如何能测量到?

使用示波器时如何选择采样率？~

对于实时示波器来说，目前普遍采用的是实时采样方式。所谓实时采样，就是对被测的波形信号进行等间隔的一次连续的高速采样，然后根据这些连续采样的样点重构或恢复波形。在实时采样过程中，很关键的一点是要保证示波器的采样率要比被测信号的变化快很多。
那么究竟要快多少呢？可以参考数字信号处理中的奈奎斯特（Nyquist）定律。Nyquist定律说， 如果被测信号带宽是有限的，那么在对信号进行采样和量化时，如果采样率是被测信号带宽的2倍以上，就可以完全重建或恢复出信号中承载的信息而不会产生混叠。
如下图就是采样率不足导致的信号混叠，可以看到采集到的信号和原始信号相比，频率变小了很多。

大多数示波器会提供几种采样模式供用户选择，常见的有正常采样、平均采样、峰值采样和包络采样。
正常采样模式下，示波器按相等的时间间隔对信号采样以重建波形。此模式可对大部分波形产生最佳显示效果。
在峰值采样模式中，当水平时基设置较低时，将保留最小采样值和最大采样值，以捕获罕见事件和窄事件（在扩大任何噪声的前提下）。该模式将显示至少与采样周期一样宽的所有脉冲。峰值采样模式可用于更方便地查看毛刺或窄脉冲。在峰值采样模式中，窄毛刺和跳变沿比“正常”采样模式中显示得更亮，使它们更容易被看到。应用峰值采样方式可以避免信号的混淆，但也会显示更多的实际噪声。
使用平均采样模式可平均多个采集结果，以减少所显示信号中的随机或无关噪声。平均多个采样结果需要稳定的触发。平均的数目可在平均采样模式后的选择框内进行设定，平均数目越高，显示的波形对波形变化的响应就越慢。必须在波形对变化的响应速度与信号上所显示噪声的降低程度之间进行折衷。

使用包络采样模式可以看到数次采样到的波形的叠加效果，在指定的N个采样数据中捕获一个信号的最大值和最小值，可设置波形叠加次数，如下图为一个包络采样模式下波形叠加次数为32的调幅信号。

无论选择了哪种采样方式，都要记住保证采样率至少是被测信号带宽的2倍以上，事实上我们更建议是3-5倍以上，这样更容易捕获的波形的异常信息。
最后一件事值得注意的是，示波器的采样率同示波器的带宽不同，当你打开多通道的时候，采样率会被每个通道平均分配。因此如果你打开了多个通道，一定要再次确认下采样率是否依然满足条件。

对于示波器而言带宽、采样率和存储深度是它的三大关键指标。相对于工程师们对示波器带宽的熟悉和重视，采样率和存储深度往往在示波器的选型、评估和测试中为大家所忽视。本文的目的是通过简单介绍采样率的相关理论结合常见的应用帮助工程师更好的理解采样率和存储深度这两个指标的重要特征及对实际测试的影响，同时有助于我们掌握选择示波器的权衡方法，树立正确的使用示波器的观念。
在开始了解采样和存储的相关概念前，我们先了解一下数字存储示波器的工作原理。



输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器，前端放大器将信号放大，以提高示波器的灵敏度和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样，并由A/D转换器数字化，经过A/D转换后，信号变成了数字形式存入存储器中，微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理，并显示在显示屏上。这就是数字存储示波器的工作过程。
采样、采样速率 我们知道，计算机只能处理离散的数字信号。在模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是连续信号的数字化（模/数转化）问题。一般把从连续信号到离散信号的过程叫采样（sampling）。连续信号必须经过采样和量化才能被计算机处理，因此，采样是数字示波器作波形运算和分析的基础。通过测量等时间间隔波形的电压幅值，并把该电压转化为用八位二进制代码表示的数字信息，这就是数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小，那么重建出来的波形就越接近原始信号。采样率（sampling rate）就是采样时间间隔。比如，如果示波器的采样率是每秒10G次（10GSa/s），则意味着每100ps进行一次采样。


图2 示波器的采样
根据Nyquist采样定理，当对一个最高频率为f的带限信号进行采样时，采样频率SF必须大于f的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。这里，f称为Nyquist频率，2 f为Nyquist采样率。对于正弦波，每个周期至少需要两次以上的采样才能保证数字化后的脉冲序列能较为准确的还原原始波形。如果采样率低于Nyquist采样率则会导致混叠（Aliasing）现象。


图3 采样率SF<2 f，混叠失真
图4和图5显示的波形看上去非常相似，但是频率测量的结果却相差很大，究竟哪一个是正确的？仔细观察我们会发现图4中触发位置和触发电平没有对应起来，而且采样率只有250MS/s，图5中使用了20GS/s的采样率，可以确定，图4显示的波形欺骗了我们，这即是一例采样率过低导致的混叠（Aliasing）给我们造成的假象。


因此在实际测量中，对于较高频的信号，工程师的眼睛应该时刻盯着示波器的采样率，防止混叠的风险。我们建议工程师在开始测量前先固定示波器的采样率，这样就避免了欠采样。力科示波器的时基（Time Base）菜单里提供了这个选项，可以方便的设置。
由Nyquist定理我们知道对于最大采样率为10GS/s的示波器，可以测到的最高频率为5GHz，即采样率的一半，这就是示波器的数字带宽，而这个带宽是DSO的上限频率，实际带宽是不可能达到这个值的，数字带宽是从理论上推导出来的，是DSO带宽的理论值。与我们经常提到的示波器带宽（模拟带宽）是完全不同的两个概念。
那么在实际的数字存储示波器，对特定的带宽，采样率到底选取多大？通常还与示波器所采用的采样模式有关。
采样模式 当信号进入DSO后，所有的输入信号在对其进行A/D转化前都需要采样，采样技术大体上分为两类：实时模式和等效时间模式。
实时采样（real-time sampling）模式用来捕获非重复性或单次信号，使用固定的时间间隔进行采样。触发一次后，示波器对电压进行连续采样，然后根据采样点重建信号波形。
等效时间采样（equivalent-time sampling），是对周期性波形在不同的周期中进行采样，然后将采样点拼接起来重建波形，为了得到足够多的采样点，需要多次触发。等效时间采样又包括顺序采样和随机重复采样两种。使用等效时间采样模式必须满足两个前提条件：1.波形必须是重复的；2.必须能稳定触发。 实时采样模式下示波器的带宽取决于A/D转化器的最高采样速率和所采用的内插算法。即示波器的实时带宽与DSO采用的A/D和内插算法有关。
这里又提到一个实时带宽的概念，实时带宽也称为有效存储带宽，是数字存储示波器采用实时采样方式时所具有的带宽。这么多带宽的概念可能已经看得大家要抓狂了，在此总结一下：DSO的带宽分为模拟带宽和存储带宽。通常我们常说的带宽都是指示波器的模拟带宽，即一般在示波器面板上标称的带宽。而存储带宽也就是根据Nyquist定理计算出来的理论上的数字带宽，这只是个理论值。 通常我们用有效存储带宽（BWa）来表征DSO的实际带宽,其定义为：BWa=最高采样速率 / k，最高采样速率对于单次信号来说指其最高实时采样速率，即A/D转化器的最高速率；对于重复信号来说指最高等效采样速率。K称为带宽因子，取决于DSO采用的内插算法。DSO采用的内插算法一般有线性（linear）插值和正弦（sinx/x）插值两种。K在用线性插值时约为10，用正弦内插约为2.5，而k=2.5只适于重现正弦波，对于脉冲波，一般取k=4,此时，具有1GS/s采样率的DSO的有效存储带宽为250MHz。


图6 不同插值方式的波形显示
我们记住以下结论：在使用正弦插值法时，为了准确再显信号，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2.5倍。使用线性插值法时，示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10倍。这也解释了示波器用于实时采样时，为什么最大采样率通常是其额定模拟带宽的四倍或以上。

首先示波器的采样率是随着时间档位的不同采样率会变化的，也就是时间档位越大，采样率越低，举个例子：比如普源精电的DS6000，在2ms的时候采样率为4G，当时间档位10ms的时候采样率只有1G。那么可以通过两种方式来得到采样率，第一个就是通过公示：采样率=存储深度/采样时间。第二种就是在你需要测量采样率的时间档位下按下stop，然后将波形显示改为点显示，最后将波形展开看临近的两个点之间的时间差是多少，他们的倒数就是采样率。

示波器的采样率是通过调节示波器的存储深度和时基改变的。一般示波器界面上都会直接显示出来。也可以自己算，就是采样率=存储深度除以波形记录时长

比如上图测的是14ms的波形，存储深度设置为14M，实时采样率显示为500MSa/s

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大埔县19230073339： 示波器的实时采样率如何能测量到?？
兆昆齿派蒙： 首先示波器的采样率是随着时间档位的不同采样率会变化的,也就是时间档位越大,采样率越低,举个例子:比如普源精电的DS6000,在2ms的时候采样率为4G,当时间档位10ms的时候采样率只有1G.那么可以通过两种方式来得到采样率,第一个就是通过公示:采样率=存储深度/采样时间.第二种就是在你需要测量采样率的时间档位下按下stop,然后将波形显示改为点显示,最后将波形展开看临近的两个点之间的时间差是多少,他们的倒数就是采样率.

大埔县19230073339： 数字示波器采样率如何测量 - ？
兆昆齿派蒙： 按RUN/STOP键停止采集波形,找到波形显示方式改成点显示,调节时基档位旋钮(往小时基调)扩展波形直至能很好的分辨出采样点(此时是点显示,不再是矢量线),光标测量——手动测量——时间测量,测量相邻两个采样点之间的时间,再取倒数,此数值就是采样率.

大埔县19230073339： 示波器采样率越高量测精度是否也高呢? - ？
兆昆齿派蒙： 示波器的采样率首先要够,对高斯频响示波器,其采样率应该是带宽的4倍或以上,对蕞大平坦度频响示波器,其采样率应该是带宽的2.5倍或以上.其次,并不一定是采样率越高,量测精度越高,这是因为,采样率较高的情况下,要做到采样等间距并不容易.

大埔县19230073339： 什么是示波器的实时采样率? - ？
兆昆齿派蒙： 实时采样率是指示波器一次采集(一次触发)采样间隔的倒数.据了解,目前业界的最高水平是四个通道同时使用,示波器测量等相关问题可以到21ic电子技术论坛搜索 【示波器百问】 看看,上面有详细介绍

大埔县19230073339： 示波器的采样率有何意义? - ？
兆昆齿派蒙： 每秒采集的信息量,采样率高,则每秒所采的数据越多,波形越真实.但这与示波器的存储深度相关度也很大,要不然回放时波形依然会失真.

大埔县19230073339： 实时采样速率和等效采样速率的区别 - ？
兆昆齿派蒙： 实时采样率就是指单次采样所能达到的最大采样率. 等效采样率是指用多次采样得到的信号共同完成信号的重建,因此1G实时采样率的示波器可以达到很高的等效采样率. 但是他只能适用于周期信号. 单次信号只能用实时采样方式来捕获.满意请采纳~

大埔县19230073339： 数字示波器的每次测量的采样频率怎么计算?是根据时基推算得吗? - ？
兆昆齿派蒙： 3654hz

大埔县19230073339： 怎样用示波器定量地测量交流信号的电压有效值和频率 - ？
兆昆齿派蒙： 1,用模拟示波器测量:先将要测量的信号输入到通道1或通道2,分别调节Y轴灵敏度和扫描时间使波形在示波器上显示合适观测的幅度,并保证有一到两个周期 将Y轴微调和扫描微调调至校正位置,读出波形峰-峰占Y轴多少格并读出Y轴灵敏度...

大埔县19230073339： 数字示波器的采样技术是什么? - ？
兆昆齿派蒙： 即采样率. 一个电信号波形如何真实的显示在屏幕是呢,就需要内部的采样AD芯片对信号进行采样,再通过数字转换将波形还原在屏幕上. 采样率直接关系到波形的真实程度,是否畸变或混淆.

大埔县19230073339： 为什么说示波器的采样速率是数字示波器的重要指标? - ？
兆昆齿派蒙： 示波器的采样速率是表示每秒采样次数(Sa/s),是数字示波器对信号采样的频率.示波器的采样速率越快,所产生的波形的分辨率和清晰度越高,信息的丢失率越低.如国睿安泰信的GA1202CAL示波器的实时采样率为1Gsa/s.