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的首要考慮參數(shù)。

帶寬定義為信號衰減3dB時的信號頻率。

       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，示波器的帶寬至少是被測試系統(tǒng)的最快數(shù)字時鐘頻率的5倍。如果所選的示波器達到這一標準，它就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。但是如果要對高速邊沿信號進行精確測量，這個簡單的公式并未考慮快速上升和下降沿中的實際最高頻率成分。

經(jīng)驗法則: 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更準確的方法是根據(jù)數(shù)字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數(shù)字信號的最高頻率要看信號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的上升和下降時間。

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，但其中有一個拐點(或稱“knee”)，這一頻率為拐點頻率fknee，高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關(guān)緊要了。 

第二步：計算fknee

fknee = 0.5/信號上升時間 (10% - 90%) 

或fknee = 0.4/信號上升時間 (20% - 80%)

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

第三步確定測量該信號所需的示波器帶寬。

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 上升時間 (10-90%), 確定示波器的最小必需帶寬 。

如果信號具有近似 500 ps 的上升 / 下降時間( 基于 10% ~ 90% 標準 )，那么信號中的最大實際頻率分量(fknee) 將大約等于 1 GHz ,即

fknee = 0.5/500ps = 1GHz 

根據(jù)表一，如果在對信號進行實際的上升時間和下降時間測量時，您能夠容忍最多 20% 的計時誤差，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% 左右的計時精度，則最好使用 2 GHz 帶寬的示波器，即

20% 計時精度 :示波器帶寬 = 1.0 x 1 GHz = 1.0 GHz

3% 計時精度 :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

在實際測量中，在明確要測量的信號大致波形時，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，如果信號的頻率為f，那么應(yīng)該選擇的示波器帶寬應(yīng)該≥9f ，這樣采集的信號才比較準確。   

二、采樣率

采樣是指從連續(xù)信號到離散信號的過程。通過測量等時間間隔波形的電壓幅值，再把它轉(zhuǎn)化為8位二進制代碼表示的數(shù)字信息，這就是數(shù)字存儲示波器的采樣。采樣電壓之間的時間間隔越小，那么重建的波形就越接近原始信號。此采樣時間間隔即為采樣率，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不得低于信號帶寬fBW的2倍，即fs ≥fBW ，才能保證信號在恢復時不發(fā)生混疊現(xiàn)象。 一般來說，采樣率是帶寬的4-5倍就可以比較準備地再現(xiàn)波形。

采集周期由采集工作時間和死區(qū)時間構(gòu)成,如下圖5所示。在采集工作時間內(nèi)，示波器會獲取波形樣本點數(shù)量，然后將這些樣本點寫入到采集存儲器。采集過程的死區(qū)時間由固定時間和可變時間組成。固定時間部分由各個儀器架構(gòu)所決定。而可變部分取決于信號處理所需要的時間，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)學函數(shù)、測量以及分析等)的函數(shù)。在死區(qū)時間的最后一個步驟中，圖形引擎會準備好用于顯示的波形，之后示波器會重新啟動觸發(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：實時采樣模式和等效采樣模式。

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

實時采樣的主要缺點是時間分辨率較差。每個樣點的采樣、量化、存儲必須在小于采樣間隔的時間內(nèi)完成。

         圖6 實時采樣

等效時間采樣（equivalent-time sampling --ETS)模式僅測量采樣瞬間波形的瞬時幅度，每次觸發(fā)僅對輸入信號采樣一次。其工作原理是對周期性波形多次觸發(fā)，多次采樣，把在信號的不同的周期采樣得到的數(shù)據(jù)進行重組，從而重建原始的信號波形。等樣時間采樣僅測量采樣瞬間波形的瞬時幅度。與實時示波器不同，等效時間采樣示波器的每次觸發(fā)只對輸入信號采樣一次。下次觸發(fā)示波器時，會增加一個小小的延遲然后進行下一個采樣。預期的采樣數(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等效采樣兩種。兩者的區(qū)別在于隨機等效采樣不僅局限于在觸發(fā)點之后，還能在觸發(fā)點之前進行采樣。[page]

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

         圖7 等效采樣

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

相對于實時采樣，等效采樣技術(shù)可以實現(xiàn)很高的數(shù)字化轉(zhuǎn)換速率。比如當被測信號頻率遠高更進于A/D最大采樣頻率時，或者從一個周期中所要采集的點數(shù)遠超過A/D最大采樣頻率時，此時采用實時采樣不可能達到目的。如果被測信號是周期的，就可以用等效時間采樣來重構(gòu)波形或在一個周期內(nèi)達到想要的采集點數(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數(shù)，單位是點（pts)。

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

              圖8 緩存深度

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

緩存深度＝采樣率×采樣時間

由此可見，提高示波器的緩存深度可以間接提高其采樣率：當要捕獲較長的波形時，由于存儲深度是固定的，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到1GS/s 或 2GS/s ，但是由于它們的緩存深度不一樣，在實際的測量中并不能達到最高的采樣率。如圖，當時基為1ns/div時，屏上顯示1000 divisions，根據(jù)公式可知，三種示波器都可以應(yīng)用最高采樣率進行采樣。當時基為1μs/div時，屏上顯示1000 divisions，時

Agilent 2000X的實際采樣率為：

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

TDS2000的實際采樣率為：

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

      圖8 存儲深度決定了實際采樣率的大小

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重要指標，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地顯示信號細節(jié)，從而可以進行更加精確的測量。

傳統(tǒng)的數(shù)字存儲示波器只能提供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。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。信號源是一個Android 智能手機跑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 給出了一個波形良好的視覺展示。從左上角視圖，你可以準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。

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

例：12位示波器

用12位示波器PicoScope 4423捕捉同樣的信號,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,且第二個諧波（500Hz）和第三個諧波（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10KHz的數(shù)字濾波的效果。）