示波器選型參數(shù)
一、帶寬

帶寬是大多工程師選擇示波器時(shí)的首要考慮參數(shù)。

帶寬定義為信號(hào)衰減3dB時(shí)的信號(hào)頻率。

       圖1 示波器幅頻特性

大多數(shù)帶寬在1GHz及以下的示波器通常會(huì)出現(xiàn)高斯響應(yīng)，并在-3dB頻率處表現(xiàn)出緩慢下降特征。帶寬大于1GHz的示波器通常擁有最大平坦頻率響應(yīng)，通常在-3dB頻率附近顯示出具有更陡峭的下降特征，更為平坦的帶內(nèi)響應(yīng)。

如何選擇示波器的帶寬

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，示波器的帶寬至少是被測試系統(tǒng)的最快數(shù)字時(shí)鐘頻率的5倍。如果所選的示波器達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，它就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測信號(hào)的5次諧波。但是如果要對高速邊沿信號(hào)進(jìn)行精確測量，這個(gè)簡單的公式并未考慮快速上升和下降沿中的實(shí)際最高頻率成分。

經(jīng)驗(yàn)法則: fBW ≥ 5 x fclk

（1）以上升沿情況選擇帶寬

確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看信號(hào)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。

第一步：確定最快的邊沿速度 

所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)(或稱“knee”)，這一頻率為拐點(diǎn)頻率fknee，高于該頻率的頻率成分對于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。 

第二步：計(jì)算fknee

fknee = 0.5/信號(hào)上升時(shí)間 (10% - 90%) 

或fknee = 0.4/信號(hào)上升時(shí)間 (20% - 80%)

對于上升時(shí)間特性按照10% 到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對于上升時(shí)間特性按照20% 到80%閥值定義的信號(hào)而言(如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式)，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。 

第三步確定測量該信號(hào)所需的示波器帶寬。

表一給出了對于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。   

表一

下面以一個(gè)簡單的示例說明：通過近似高斯頻率響應(yīng)測量500 ps 上升時(shí)間 (10-90%), 確定示波器的最小必需帶寬 。

如果信號(hào)具有近似 500 ps 的上升 / 下降時(shí)間( 基于 10% ~ 90% 標(biāo)準(zhǔn) )，那么信號(hào)中的最大實(shí)際頻率分量(fknee) 將大約等于 1 GHz ,即

fknee = 0.5/500ps = 1GHz 

根據(jù)表一，如果在對信號(hào)進(jìn)行實(shí)際的上升時(shí)間和下降時(shí)間測量時(shí)，您能夠容忍最多 20% 的計(jì)時(shí)誤差，那么可以使用 1 GHz 帶寬示波器用于數(shù)字測量應(yīng)用。但是如果需要 3% 左右的計(jì)時(shí)精度，則最好使用 2 GHz 帶寬的示波器，即

20% 計(jì)時(shí)精度 :示波器帶寬 = 1.0 x 1 GHz = 1.0 GHz

3% 計(jì)時(shí)精度 :示波器帶寬 = 1.9 x 1 GHz = 1.9 GHz

（2）以諧波情況選擇示波器帶寬

諧波是指除絕對的正弦波之外的周期波所含的其它一切頻率分量。諧波頻是基波頻（正弦波）的整數(shù)倍。

要對波形進(jìn)行精確的測量，對于非正弦波的波形，必須考慮其諧波。假如組成波形的主要諧波分量超出儀表的帶寬， 那么我們就不能精確地測得波形的參數(shù)。以下以方波為例，說明如何選擇示波器的帶寬：

方波是由基波與無數(shù)奇次諧波疊加所構(gòu)成，包含的諧波越多，波形越近似方波。

方波的質(zhì)量根據(jù)包含的諧波次數(shù)，其近似程度有所不同，如圖二所示。

圖2 方波=基波+3次諧波+5次諧波+7次諧波+ …… + （2n+1）次諧波

      圖3 不同帶寬的示波器測同一方波

在實(shí)際測量中，在明確要測量的信號(hào)大致波形時(shí)，選擇示波器的帶寬可以參考以下表。比如需要測量的是方波信號(hào)，如果信號(hào)的頻率為f，那么應(yīng)該選擇的示波器帶寬應(yīng)該≥9f ，這樣采集的信號(hào)才比較準(zhǔn)確。   

二、采樣率

采樣是指從連續(xù)信號(hào)到離散信號(hào)的過程。通過測量等時(shí)間間隔波形的電壓幅值，再把它轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字信息，這就是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣。采樣電壓之間的時(shí)間間隔越小，那么重建的波形就越接近原始信號(hào)。此采樣時(shí)間間隔即為采樣率，單位是“次/秒”。比如1GS/s 是指每秒采樣1G次，即意味著每1000ps進(jìn)行一次采樣 。

      圖4 采樣過程

根據(jù)Nyquist定律，采樣率fs不得低于信號(hào)帶寬fBW的2倍，即fs ≥fBW ，才能保證信號(hào)在恢復(fù)時(shí)不發(fā)生混疊現(xiàn)象。 一般來說，采樣率是帶寬的4-5倍就可以比較準(zhǔn)備地再現(xiàn)波形。

采集周期由采集工作時(shí)間和死區(qū)時(shí)間構(gòu)成,如下圖5所示。在采集工作時(shí)間內(nèi)，示波器會(huì)獲取波形樣本點(diǎn)數(shù)量，然后將這些樣本點(diǎn)寫入到采集存儲(chǔ)器。采集過程的死區(qū)時(shí)間由固定時(shí)間和可變時(shí)間組成。固定時(shí)間部分由各個(gè)儀器架構(gòu)所決定。而可變部分取決于信號(hào)處理所需要的時(shí)間，是波形樣本數(shù)量（記錄的長度以及開啟通道的數(shù)量）以及所選后處理功能數(shù)量(比如插值、數(shù)學(xué)函數(shù)、測量以及分析等)的函數(shù)。在死區(qū)時(shí)間的最后一個(gè)步驟中，圖形引擎會(huì)準(zhǔn)備好用于顯示的波形，之后示波器會(huì)重新啟動(dòng)觸發(fā)器開始新一輪的采集。

     圖5 數(shù)字示波器采集與分析周期

采樣技術(shù)大體分為兩類：實(shí)時(shí)采樣模式和等效采樣模式。

實(shí)時(shí)采樣（real-time sampling)模式使用固定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，適用于任何形式的信號(hào)波形，重復(fù)的或者不重復(fù)的，單次的或者連續(xù)的。觸發(fā)一次后，示波器對電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，然后根據(jù)采樣點(diǎn)重建信號(hào)波形。它是捕捉單次信號(hào)及隱藏在重復(fù)信號(hào)中毛刺和異常信號(hào)的有效方法。

實(shí)時(shí)采樣的主要缺點(diǎn)是時(shí)間分辨率較差。每個(gè)樣點(diǎn)的采樣、量化、存儲(chǔ)必須在小于采樣間隔的時(shí)間內(nèi)完成。

         圖6 實(shí)時(shí)采樣

等效時(shí)間采樣（equivalent-time sampling --ETS)模式僅測量采樣瞬間波形的瞬時(shí)幅度，每次觸發(fā)僅對輸入信號(hào)采樣一次。其工作原理是對周期性波形多次觸發(fā)，多次采樣，把在信號(hào)的不同的周期采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，從而重建原始的信號(hào)波形。等樣時(shí)間采樣僅測量采樣瞬間波形的瞬時(shí)幅度。與實(shí)時(shí)示波器不同，等效時(shí)間采樣示波器的每次觸發(fā)只對輸入信號(hào)采樣一次。下次觸發(fā)示波器時(shí)，會(huì)增加一個(gè)小小的延遲然后進(jìn)行下一個(gè)采樣。預(yù)期的采樣數(shù)決定重新生成波形所需的周期數(shù)。

等效采樣包括順序等效采樣和隨機(jī)等效采樣兩種。兩者的區(qū)別在于隨機(jī)等效采樣不僅局限于在觸發(fā)點(diǎn)之后，還能在觸發(fā)點(diǎn)之前進(jìn)行采樣。[page]

使用等效采樣模式必須滿足兩個(gè)前提條件：1、波形必須是重復(fù)的；2、必須能穩(wěn)定觸發(fā)。

         圖7 等效采樣

示波器大多時(shí)間工作在實(shí)時(shí)采樣模式，其采樣率跟帶寬一般沒有直接關(guān)系。

相對于實(shí)時(shí)采樣，等效采樣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)字化轉(zhuǎn)換速率。比如當(dāng)被測信號(hào)頻率遠(yuǎn)高更進(jìn)于A/D最大采樣頻率時(shí)，或者從一個(gè)周期中所要采集的點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)超過A/D最大采樣頻率時(shí)，此時(shí)采用實(shí)時(shí)采樣不可能達(dá)到目的。如果被測信號(hào)是周期的，就可以用等效時(shí)間采樣來重構(gòu)波形或在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到想要的采集點(diǎn)數(shù)。

三、緩存深度

示波器的最大采樣率與最大緩存深度密切相關(guān)。緩存深度也指記錄長度，即示波器一次性可采集的波形點(diǎn)數(shù)，單位是點(diǎn)（pts)。

示波器的存儲(chǔ)由兩方面來完成：1、觸發(fā)信號(hào)和延時(shí)的設(shè)定確定了示波器存儲(chǔ)的起點(diǎn)；2、示波器的存儲(chǔ)深度決定了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的終點(diǎn)

              圖8 緩存深度

在緩存深度一定的情況下，存儲(chǔ)速度越快，存儲(chǔ)時(shí)間就越短，它們之間是反比關(guān)系。存儲(chǔ)速度等效于采樣率，存儲(chǔ)時(shí)間等效于采樣時(shí)間，采樣時(shí)間由示波器的顯示窗口所代表的時(shí)間決定，所以

緩存深度＝采樣率×采樣時(shí)間

由此可見，提高示波器的緩存深度可以間接提高其采樣率：當(dāng)要捕獲較長的波形時(shí)，由于存儲(chǔ)深度是固定的，所以只能降低采樣率，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲(chǔ)深度，則可以使用更高的采樣率，以獲取不失真的波形。

如圖8，PicoScope 3207B , Agilent2000X , Tek TDS2000(如TDS2004C）的最高采樣率都能達(dá)到1GS/s 或 2GS/s ，但是由于它們的緩存深度不一樣，在實(shí)際的測量中并不能達(dá)到最高的采樣率。如圖，當(dāng)時(shí)基為1ns/div時(shí)，屏上顯示1000 divisions，根據(jù)公式可知，三種示波器都可以應(yīng)用最高采樣率進(jìn)行采樣。當(dāng)時(shí)基為1μs/div時(shí)，屏上顯示1000 divisions，時(shí)

Agilent 2000X的實(shí)際采樣率為：

緩存深度 2.5KS / 采樣時(shí)間（1μs/div × 1000 divisions) = 2.5MS/s

TDS2000的實(shí)際采樣率為：

緩存深度 2.5KS / 采樣時(shí)間（1μs/div × 1000 divisions) = 2.5MS/s

      圖8 存儲(chǔ)深度決定了實(shí)際采樣率的大小

四、分辨率

分辨率是數(shù)字示波器除帶寬、采樣率、記錄長度之外的又一個(gè)重要指標(biāo)，其基礎(chǔ)是示波器采集系統(tǒng)中所使用的ADC的分辨率。較高的分辨率意味著示波器能夠更精細(xì)地顯示信號(hào)細(xì)節(jié)，從而可以進(jìn)行更加精確的測量。

傳統(tǒng)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器只能提供8位分辨率（8位ADC），因此可以檢測到最多0.4％的信號(hào)變化（見表）。這意味著，他們不適合許多應(yīng)用范圍從監(jiān)測傳感器和傳感器（溫度，電流，壓力）到檢測噪音和振動(dòng)。高精度示波器需要超過8位分辨率。

比如以8位，12位，16位PicoScope示波器為例，比較不同精度的示波器的測試結(jié)果。信號(hào)源是一個(gè)Android 智能手機(jī)跑FuncGen app，設(shè)置產(chǎn)生250Hz的正弦波，最大的幅度大概170mV。

例：8位示波器

8位示波器比如PicoScope 2205 給出了一個(gè)波形良好的視覺展示。從左上角視圖，你可以準(zhǔn)確地測量波形的頻率和幅度。右上圖中，放大64倍，這很快顯示了8位示波器的局限性。

第三個(gè)視圖顯示了信號(hào)的頻譜分析（FFT）。峰值顯示輸入信號(hào)頻率接近250Hz。SFDR（Spurious Free Dynamic Range--純動(dòng)態(tài)范圍），表示為兩個(gè)標(biāo)尺間的delta，大約是70dB。本底噪聲掩蓋了真正的輸入信號(hào)的特性。

例：12位示波器

用12位示波器PicoScope 4423捕捉同樣的信號(hào),左上圖測量結(jié)果看起來一樣。放大64倍的視圖，看不到數(shù)字化的梯級，12位的示波器可以看到噪聲而8位的看不到。[page]

在頻譜分析儀上，顯示SFDR大約為72dB,且第二個(gè)諧波（500Hz）和第三個(gè)諧波（750Hz）上失真的峰值是可見的。

例：16位示波器

使用16位示波器PicoScope 4262,放大64倍的軌跡更清晰了，盡管由信號(hào)源產(chǎn)生的噪聲依然可見。（右下角的插圖顯示了PicoScope應(yīng)用一個(gè)10KHz的數(shù)字濾波的效果。）