示波器測各種類型信號需要多大采樣率實(shí)測

我們知道示波器的運(yùn)作過程大致如下圖所示：

我們通過探頭給示波器輸入一個(gè)信號，被測信號經(jīng)過示波器前端的放大、衰減等信號調(diào)理電路后，然后高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采樣和數(shù)字量化，示波器的采樣率就是對輸入信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采樣時(shí)鐘的頻率，通俗的講就是采樣間隔，每個(gè)采樣間隔采集一個(gè)采樣點(diǎn)。比如1GSa/s的采樣率，代表示波器具備每秒鐘采集10億個(gè)采樣點(diǎn)的能力，此時(shí)其采樣間隔就是1納秒。

對于實(shí)時(shí)示波器來說，目前普遍采用的是實(shí)時(shí)采樣方式。所謂實(shí)時(shí)采樣，就是對被測的波形信號進(jìn)行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣，然后根據(jù)這些連續(xù)采樣的樣點(diǎn)重構(gòu)或恢復(fù)波形。在實(shí)時(shí)采樣過程中，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是要保證示波器的采樣率要比被測信號的變化快很多。

那么究竟要快多少呢？數(shù)字信號處理中的奈奎斯特（Nyquist）定律說， 如果被測信號帶寬是有限的，那么在對信號進(jìn)行采樣和量化時(shí)，如果采樣率是被測信號帶寬的2倍以上，就可以完全重建或恢復(fù)出信號中承載的信息而不會(huì)產(chǎn)生混疊。

如下圖就是采樣率不足導(dǎo)致的信號混疊，可以看到采集到的信號和原始信號相比，頻率變小了很多。

如果對示波器采樣率概念不是很了解的朋友，可以搜索查看我們之前的文章《示波器的采樣率概念詳解》進(jìn)行學(xué)習(xí)。今天我們拋開理論，分別用示波器對1MHz正弦波，1MHz方波，100KHz鋸齒波，100KHz三角波進(jìn)行實(shí)際測量一下，看看結(jié)果。

我們先用信號發(fā)生器生成一個(gè)幅值為10V，頻率為1MHz的正弦波輸入到示波器，通過調(diào)節(jié)存儲(chǔ)深度和時(shí)基，將采樣率降到我們期望的值。如下圖種可以看出示波器此時(shí)的時(shí)基是2ms，存儲(chǔ)深度是28K，采樣率 = 存儲(chǔ)深度 /（時(shí)基*14），采樣率正好就是1MSa/s。

可以看到，當(dāng)采樣率等于信號頻率的時(shí)候，示波器無法顯示正常的正弦波圖形，波形已經(jīng)失真。我們將時(shí)基繼續(xù)打大，存儲(chǔ)深度固定不變，此時(shí)采樣率下降到了20KSa/s，可以看到示波器屏幕中可以看出信號是正弦波，但是信號的頻率從真實(shí)的1MHz下降到了1.668Hz，也就是發(fā)生了上述采樣率不足導(dǎo)致的信號混疊。

接下去我們將時(shí)基調(diào)小，這樣采樣率就變大了，一直調(diào)到采樣率為信號頻率的2倍和10倍來觀察信號變化，也就是2MSa/s和10MSa/s。下圖中左邊的信號就是2MSa/s采樣率下的，可以看到信號的頻率變回了1MHz，也就是信號正確的頻率值。但是原本的正弦波變成了三角波，波形已經(jīng)失真。當(dāng)采樣率變?yōu)?0MSa/s時(shí)，也就是下圖右邊的信號，可以看到信號越來越接近正弦波的樣子了，但依然不是很漂亮。

我們繼續(xù)減少時(shí)基，使得采樣率為信號頻率的20倍，也就是20MSa/s，此時(shí)可以看到就是比較漂亮的正弦波了，因此可以得出結(jié)論，觀察1MHz的正弦波，采樣率最好可以至少達(dá)到其20倍，才可以還原信號真實(shí)的樣子。

我們以同樣的方式對1MHz方波，100KHz三角波，100KHz鋸齒波進(jìn)行實(shí)際測量，結(jié)果如下圖所示：

由此可以看出，測量1MHz方波對采樣率的要求比測量1MHz正弦波要高的多。測量1MHz正弦波在20倍的采樣率下就可以接近真實(shí)信號，而測量1MHz方波即使到了40倍上升沿依然坡度比較明顯的不直。

下面來看100KHz三角波：

最后我們來看下100KHz鋸齒波：