示波器多大采样率足够？实测示波器不同采样率对不同波形的影响

采样率作为示波器性能的关键指标之一，直接影响到波形的准确度和完整性。本文将探讨示波器的采样率对观察不同波形的影响，并提供实用的选择建议。

示波器采样率的重要性

示波器的运行原理如下图所示：

我们通过探头给示波器输入一个信号，被测信号经过示波器前端的放大、衰减等信号调理威廉希尔官方网站 后，然后高速ADC模数转换器进行信号采样和数字量化，示波器的采样率就是对输入信号进行模数转换时采样时钟的频率，通俗的讲就是采样间隔，每个采样间隔采集一个采样点。比如1GSa/s的采样率，代表示波器具备每秒钟采集10亿个采样点的能力，此时其采样间隔就是1纳秒。

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?按照数字信号处理中的奈奎斯特(Nyquist)定律， 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。

实测不同采样率对不同波形的影响
 

本文结合理论，分别用示波器对1.5MHz正弦波，1.5MHz方波，150kHz锯齿波，150kHz三角波进行实测，看下不同采样率对不同波形观察的结果。

这次我们使用麦科信(Micsig)高分辨率示波器MHO3-5004进行测试;MHO3-5004具有 500MHz 带宽、12bit垂直分辨率，3GSa/s 实时采样率、4 个模拟通道、360Mpts 的存储深度的专业参数;同时拥有 3.58cm 的超薄设计，可大幅节省桌面空间;配备14 英寸触控屏，1920*1200 分辨率，在我们后面观察波形的时候非常地清晰，同时搭载SigtestUI 专业测试系统;操作界面简洁清晰、运行流畅稳定。

1.正弦波

我们先用信号发生器生成一个幅值为10V，频率为1.5MHz的正弦波输入到示波器，通过调节存储深度和时基，将采样率降到我们期望的值。如下图中可以看出示波器此时的时基是2ms，存储深度是36K，采样率 = 存储深度 /(时基*12)，采样率正好就是1.5MSa/s。

可以看到，当采样率等于信号频率的时候，示波器无法显示正常的正弦波图形，波形已经失真，而左上角的硬件频率计依然可以测得输入的信号频率在1.5MHz。我们将时基继续打大，存储深度固定不变，此时采样率下降到了150KSa/s，可以看到示波器屏幕中可以看出信号是正弦波，但是信号的频率从真实的1.5MHz下降到了9.204Hz，也就是发生了上述采样率不足导致的信号混叠。

接下来我们将时基调小，这样采样率就变大了，一直调到采样率为信号频率的4倍和10倍来观察信号变化，也就是6MSa/s和15MSa/s。下图中左边的信号就是6MSa/s采样率下的，可以看到信号的频率变回了1.5MHz，也就是信号正确的频率值。但是原本的正弦波变成了三角波，波形已经失真。当采样率变为15MSa/s时，也就是下图右边的信号，可以看到信号越来越接近正弦波的样子了，但依然不是很漂亮。

我们继续减少时基，使得采样率为信号频率的20倍，也就是30MSa/s，此时可以看到比较漂亮的正弦波，可以得出结论，观察1MHz的正弦波，采样率最好可以至少达到其20倍以上，才可以比较好地还原信号真实的样子。

2.方波

同样的方式对1.5MHz方波进行实际测量，采样率为1.5MSa/s，测出的信号变成了直线，结果如下图所示：

测1MHz方波，采样率为60KSa/s，测出信号频率变成了9.222Hz，信号混叠，如下图：

测1.5MHz方波，采样率为3MSa/s，测出信号方波变成了锯齿波，如下：

下面分别是测1.5MHz方波，采样率为15MSa/s、60MSa/s、150MSa/s时测出的波形：

 

由此可以看出，测量1.5MHz方波对采样率的要求比测量1.5MHz正弦波要高很多。测量1.5MHz正弦波在20倍的采样率下就可以接近真实信号，而测量1.5MHz方波即使到了40倍上升沿依然坡度比较明显的不直。其主要原因在于1.5MHz的方波只是其基波频率1.5MHz，而他其中还含有更高频次的谐波。因此，对于方波信号，采样率只满足基波频率是远远不够的。

上图为：测1.5MHz正弦波，采样率为30MSa/s

3.三角波

下面来测试一下150kHz，10V的三角波：

测150kHz三角波，采样率为150kSa/s，如下图：

测150kHz三角波，采样率为15kSa/s，频率从150kHz变成了923.1mHz，注意是m不是M，1000mHz= 1Hz，如下图：

测150kHz三角波，采样率为1.5MSa/s，频率显示正常了，但是波形不正，电压也有差异，如下图：

测150kHz三角波，采样率为15MSa/s，频率显示正常了，波形也正了，电压还存在一些差异：

测150kHz三角波，采样率为150MSa/s，频率显示正常了，波形也正了，电压也正常了，采样率是波形频率的1000倍，如下图：

4.锯齿波

最后我们来看下150kHz锯齿波：

测150kHz锯齿波，采样率为150kSa/s，如下图：

测150kHz锯齿波，采样率为15kSa/s，频率从150kHz变成了924mHz，如下图：

测150kHz锯齿波，采样率为300kSa/s，频率显示正常了，但是波形不正，电压也有差异：

测150kHz锯齿波，采样率为3MSa/s，频率显示正常了，波形正了，电压有差异，如下图：

测150kHz三角波，采样率为150MSa/s，频率显示正常了，波形也正了，电压也正常了，如下图：

总结

通过以上一系列的实际测试，相信大家对于被测信号应该要多大采样率有所了解，有时候发现测出波形和想象中的相差甚远，也可以从采样率的角度去考虑原因。

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