“ 第二篇介紹示波器的幾個重要指標：帶寬，采樣率，內存深度，分辨率。如何選擇這幾個指標？以及對測量的影響。”

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示波器的帶寬

帶寬是示波器最重要的一個指標，它決定了這臺示波器測量高頻信號的能力。示波器帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定，示波器中的放大器的工作頻點是從直流開始的，其增益隨著輸入信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應的頻點稱為這個放大器的帶寬，示波器帶寬是同樣的定義。

圖1 示波器帶寬定義示意圖

示波器實際測量的是電壓信號，對于電壓 dB=20log（A/B)， -3dB相當于示波器電壓的增益隨著頻率增加下降到原來的0.707倍。示波器對帶寬內的所有頻率信號不是保持相同的測量精度，信號頻率越接近帶寬，測量結果的幅度誤差越大。具體某個頻點的衰減是多大，需要準確知道示波器的頻響曲線。

如果沒有充足的帶寬，示波器將不能解析高頻變化。幅度將失真，邊沿將消失，細節也會丟失。為了確定準確檢定特定應用中信號幅度所需的示波器帶寬，應采用“五倍法則'。

示波器帶寬>=信號的最高頻率成分x5

示波器的帶寬是示波器可以測量的幅度誤差不超過-3dB的正弦波的頻率值。對于數字信號，示波器的帶寬至少應該比被測系統最快的數字時鐘速率高5倍。如果滿足這一標準，該示波器就能議最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。

帶寬越高，信號復現精度越高，如圖2，這是250MHz, 1GHz, 5GHz三種帶寬下捕獲的信號。

圖2. 250MHz, 1GHz, 5GHz三種帶寬下捕獲的信號

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示波器的采樣率

被測信號經過前端放大，衰減等信號調整電路后，接下來是進行信號采樣和數字量化。信號采樣和數字化是通過高速的ADC轉換器完成，示波器的采樣率就是指對輸入信號進行A/D轉換時采樣時鐘的頻率。

真正輸入示波器的信號是連續的模擬信號，但是這樣的信號無法用數字的方法進行描述和處理，數字化的過程就是用高速ADC對信號進行采樣和量化的過程。經過模數轉換后，模擬波形變成一個個連續變化的數字樣點。

圖3.采樣示意圖

根據Nyquist采樣定理，當對一個最高頻率為fmax的帶限信號進行采樣時，采樣頻率SF必須大于fmax的兩倍以上才能確保采樣值完全重構原來的信號。對于正弦波，每個周期至少需要兩次以上的采樣才能保證數字化后的脈沖序列能較為完整的還原原始波形。如果采樣率低于Nyquist采樣率會導致混疊現象。

圖4.采樣率<2fmax,混疊失真

然而這一定理假設記錄長度無窮大及連續信號。由于沒有一臺示波器能提供無窮大的記錄長度，根據定義，毛刺也不是連續的，所以采樣率僅為最高頻率成分的兩倍是不夠的。

圖5.采樣率過低導致波形失真

在實踐中，準確重建信號卻決于采樣率及填充樣點間間隔使用的內插方法。某些示波器允許選擇在測量正弦信號時使用sin（x)/x內插，在測量方波和其它信號時使用線性內插。

在使用正弦插值法時，為了準確再顯信號，示波器的采樣率至少為信號最高頻率成分的2.5倍。使用線性插值法時，示波器的采樣率應至少是信號最高頻率成分的10倍。

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示波器的內存深度

對于高速的數字實時示波器，由于采樣率很高，這個高速的數據以現有的數字處理技術是不能實時處理的。所以數字示波器都是先把信號采集一段到高速緩存中，然后再把緩存中的數據讀出來顯示。這段緩存的深度，也稱為示波器的內存深度，決定了示波器在進行一次連續采集時的最長的時間長度。時間長度=內存深度/采樣率。例如示波器采樣率是80G Sa/s，內存深度是800k樣點，總共采集的波形時間長度=800k/80G=10us。

很多示波器默認會根據示波器的時基刻度的調整自動調整內存深度，而當內存深度增加到最大仍不足保證采集時間，示波器通常會自動降低采樣率。因此，在增加示波器的時基刻度時，需要注意觀察示波器的采樣率的變化。

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示波器的分辨率

對于數字示波器，ADC是把連續的模擬信號轉換成離散的采樣數據的關鍵器件，數據樣點的水平時間分辨率取決于其采樣率，而數據樣點的垂直電壓分辨率取決于量化的位數。在示波器中，為了提供盡可能高的帶寬，使用的是Flash型ADC。

圖6. Flash型ADC

Flash型ADC又稱為并行ADC，如圖6，假設ADC的位數為N位，則ADC輸入滿量程REF被2^N個完全相同的分壓電阻等分為2^N-1份，后面跟隨著2^N-1個比較器，輸入信號經放大和采樣后同時與這2^N-1個比較器進行比較，根據比較器的結果再進行譯碼就可以得出被測信號當前點的電壓值。目前市面上絕大部分數字實時示波器使用的是8位的Flash 型ADC，其直流電壓幅度的測量精度并不是太高。

• 示波器的直流電壓測量精度：

示波器有直流測量精度能到多少？8位ADC，8bit的分辨率對于人眼觀察波形足夠，對于精度測量不太夠，因為理論上固有量化誤差就有滿量程的1/256，再加上增益誤差和偏置誤差，實際直流測試精度在滿量程的2%左右.

如果示波器當前的垂直刻度設置成1V/div的擋位，那么意味著測量值有8/256=31.25mV以內的誤差。如果只用了4位，誤差更大，所以建議在測量波形時，盡可能調整波形讓其充滿整個屏幕，充分利用8位的分辨率。

如果希望進行更精確的直流測量，就需要其它測試儀器---萬用表。數字萬用表分手持和臺式的，手持的表通常由3位半（十進制）的分辨率，臺式表通常由5位半或6位半（十進制）的分辨率。6位十進制就代表百萬分之一的分辨率。6位半的34401A臺式萬用表，其電壓精度可以小于50ppm。萬用表的直流精度遠優于示波器，示波器的強項還是在于信號波形的測量上。