处理数字示波器测量问题

处理数字示波器测量问题

DSO(数字示波器)与模拟示波器相比有很多优势，但正如他们所说，“世上没有的午餐。”数字示波器对波形进行采样、数字化和存储，让您可以测量、分析和存档信号。但是，抽样过程带来了一些问题，如“包袱”。

混叠(本页)、同步采样(第 2 页)和插值器(第 3 页)错误可能会导致您误解测量结果，除非您了解这些问题。正如您所料，大多数 DSO 制造商不会花很多时间谈论负面问题，因此了解它们是一种发现体验。让我们检查这些问题并讨论如何检测并希望解决这些问题。

混叠 支配

所有数字仪器和系统的采样定理要求信号的采样率大于信号中包含的频率的两倍。如果信号被正确采样，则示波器可以从样本中重建它而不会丢失信息。欠采样，或采样频率低于频率分量的两倍，会导致恢复信号的分量频率低于原始信号，这种不需要的信号称为混叠。采样率的一半称为奈奎斯特频率，它标志着在该采样率下可以数字化的频率。

图 1提供了一个混叠示例。左上方网格中的波形是一个 400 MHz 正弦波，采样速率为 1 (GSamples/s。每个周期有 2? 个样本，如左侧顶部第二个网格中显示的水平扩展缩放轨迹所示。请注意，这是没有插值的原始采样数据。在左侧从顶部数第三个轨迹中应用了 sin(x)/x 插值。这是大多数 DSO 将显示的内容，因为这是它们的默认显示插值器。

图 1. 当一个 400 MHz 信号被欠采样时，它会失去信号保真度并且会出现混叠。

左侧底部迹线是输入信号的 FFT(快速傅立叶变换)，显示信号的频谱或频域视图。正如该信号所预期的那样，它在 400 MHz 处显示了一个频谱峰值。

右上方网格中的波形是相同的 400 MHz 正弦波，采样率为 500 Msamples/s。采样率低于信号频率的两倍并且信号混叠。右侧从上数第二个网格是混叠迹线的缩放视图。请注意，信号频率较低。在本例中为 100 MHz。下一条较低的迹线是应用了插值的混叠信号。混叠迹线的 FFT 在 100 MHz 处有一个频率峰值。请注意，FFT 迹线在 250 MHz 处被截断，这是 500 MS/s 采样率的奈奎斯特频率。

因为图 1 是非动画图形，所以混叠波形看起来具有稳定的触发，但实际上并非如此。触发电平设置为零伏，正斜率和无混叠波形显示正确的触发电平。混叠波形仅具有非混叠波形的每隔一个样本点，并且会在与触发点相邻的样本之间跳跃。这会导致具有水平“抖动”的迹线。

研究混叠的方法可能是在频域中查看它。采样类似于模拟混音过程。它本质上是将采样波形乘以采样时钟，采样时钟通常是一个非常窄的脉冲。采样时钟富含谐波。采样/混频过程产生的频率分量包括被采样的原始基带信号、采样时钟及其所有谐波，以及采样信号关于每个采样时钟谐波的下边带图像和上边带图像，如图2的上视图所示。

图 2. 在频域中查看的采样过程显示了正确采样和混叠采样。

基带信号分量近似于典型 DSO 的频率响应。带宽通常在响应的“拐点”处指定，并在带宽限制以上快速衰减“滚降”响应。由于在示波器带宽之上可能存在频谱分量，因此大多数制造商以带宽的 2.5 倍或更大的频率进行采样，以防止该区域出现混叠分量。

降低采样率会将频谱的采样频率分量及其所有谐波移动到频域显示的左侧。当采样频率附近的下边带分量与基带信号相交时，就会出现混叠，如下图所示。一旦频谱分量重叠，就不再可能对生成的波形进行滤波以恢复原始基带信号。

示波器设计人员通常尝试通过多种方式来限制混叠。首先，他们选择的采样频率远大于过采样所需的频率。奈奎斯特频率 3 到 20 倍的频率并不少见。接下来，他们延长了采集记忆。即使在使用长采集时，这也能保持高采样率。选择 DSO 时，您应该知道需要进行的持续时间采集，然后选择具有足够内存的仪器来支持信号所需带宽所需的采样率。

图 3说明了采集存储器长度如何影响示波器的采样率。此图表将采样率绘制为示波器时间/格设置的函数，并将采集内存长度作为参数。

图 3. 1 GHz 带宽示波器的采样率与时间/格设置的关系图，采样率为 20 Gsamples/s。请注意，一旦采样率降至 2 Gsamples/s 或更低，示波器将混叠 1 GHz 的信号。

本例中的示波器具有 20 Gsamples/s 的采样率和 1 GHz 的带宽。只要采样率在 2 Gsamples/s 以上，采集的数据就是有效的。如果采样下降到恰好 2 Gsamples/s 或更少，则数据可能混叠。随着时间/格设置的增加，采样率保持在 20 Gsamples/s，直到所有采集内存都被占用。超过那个点，采样率就会下降。因此，对于 10 ksamples 的采集内存长度，采样率在 50 ns/格时降至 2 Gsamples/s。内存长度为 100 ksamples，示波器在采样率降至 2 Gsamples/s 之前可以达到 5 μs/格。随着采集内存的增加，采样率在更多时间/格设置中保持在临界 2 Gsamples/s 以上。所以采集内存越长，

在操作数字示波器时，您应该从可用的快扫描速度开始——每格设置的短时间，以检测和避免混叠。这样做将导致的采样率。当您增加时间/格设置时，请注意波形。如果发生混叠，波形的频率会突然下降;当它发生时，它是非常戏剧性的。如果确实遇到混叠，请查看是否可以增加采集内存的深度以提高采样率。

审核编辑：汤梓红