示波器多大采樣率足夠？實測示波器不同采樣率對不同波形的影響

采樣率作為示波器性能的關鍵指標之一，直接影響到波形的準確度和完整性。本文將探討示波器的采樣率對觀察不同波形的影響，并提供實用的選擇建議。

示波器采樣率的重要性

示波器的運行原理如下圖所示：

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

對于實時示波器來說，目前普遍采用的是實時采樣方式。所謂實時采樣，就是對被測的波形信號進行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣，然后根據這些連續(xù)采樣的樣點重構或恢復波形。在實時采樣過程中，很關鍵的一點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?按照數字信號處理中的奈奎斯特(Nyquist)定律， 如果被測信號帶寬是有限的，那么在對信號進行采樣和量化時，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出信號中承載的信息而不會產生混疊。

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

實測不同采樣率對不同波形的影響

本文結合理論，分別用示波器對1.5MHz正弦波，1.5MHz方波，150kHz鋸齒波，150kHz三角波進行實測，看下不同采樣率對不同波形觀察的結果。

這次我們使用麥科信(Micsig)高分辨率示波器MHO3-5004進行測試;MHO3-5004具有 500MHz 帶寬、12bit垂直分辨率，3GSa/s 實時采樣率、4 個模擬通道、360Mpts 的存儲深度的專業(yè)參數;同時擁有 3.58cm 的超薄設計，可大幅節(jié)省桌面空間;配備14 英寸觸控屏，1920*1200 分辨率，在我們后面觀察波形的時候非常地清晰，同時搭載SigtestUI 專業(yè)測試系統;操作界面簡潔清晰、運行流暢穩(wěn)定。

1.正弦波

我們先用信號發(fā)生器生成一個幅值為10V，頻率為1.5MHz的正弦波輸入到示波器，通過調節(jié)存儲深度和時基，將采樣率降到我們期望的值。如下圖中可以看出示波器此時的時基是2ms，存儲深度是36K，采樣率 = 存儲深度 /(時基*12)，采樣率正好就是1.5MSa/s。

可以看到，當采樣率等于信號頻率的時候，示波器無法顯示正常的正弦波圖形，波形已經失真，而左上角的硬件頻率計依然可以測得輸入的信號頻率在1.5MHz。我們將時基繼續(xù)打大，存儲深度固定不變，此時采樣率下降到了150KSa/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的1.5MHz下降到了9.204Hz，也就是發(fā)生了上述采樣率不足導致的信號混疊。

接下來我們將時基調小，這樣采樣率就變大了，一直調到采樣率為信號頻率的4倍和10倍來觀察信號變化，也就是6MSa/s和15MSa/s。下圖中左邊的信號就是6MSa/s采樣率下的，可以看到信號的頻率變回了1.5MHz，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，波形已經失真。當采樣率變?yōu)?5MSa/s時，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)減少時基，使得采樣率為信號頻率的20倍，也就是30MSa/s，此時可以看到比較漂亮的正弦波，可以得出結論，觀察1MHz的正弦波，采樣率最好可以至少達到其20倍以上，才可以比較好地還原信號真實的樣子。

2.方波

同樣的方式對1.5MHz方波進行實際測量，采樣率為1.5MSa/s，測出的信號變成了直線，結果如下圖所示：

測1MHz方波，采樣率為60KSa/s，測出信號頻率變成了9.222Hz，信號混疊，如下圖：

測1.5MHz方波，采樣率為3MSa/s，測出信號方波變成了鋸齒波，如下：

下面分別是測1.5MHz方波，采樣率為15MSa/s、60MSa/s、150MSa/s時測出的波形：

由此可以看出，測量1.5MHz方波對采樣率的要求比測量1.5MHz正弦波要高很多。測量1.5MHz正弦波在20倍的采樣率下就可以接近真實信號，而測量1.5MHz方波即使到了40倍上升沿依然坡度比較明顯的不直。其主要原因在于1.5MHz的方波只是其基波頻率1.5MHz，而他其中還含有更高頻次的諧波。因此，對于方波信號，采樣率只滿足基波頻率是遠遠不夠的。

上圖為：測1.5MHz正弦波，采樣率為30MSa/s

3.三角波

下面來測試一下150kHz，10V的三角波：

測150kHz三角波，采樣率為150kSa/s，如下圖：

測150kHz三角波，采樣率為15kSa/s，頻率從150kHz變成了923.1mHz，注意是m不是M，1000mHz= 1Hz，如下圖：

測150kHz三角波，采樣率為1.5MSa/s，頻率顯示正常了，但是波形不正，電壓也有差異，如下圖：

測150kHz三角波，采樣率為15MSa/s，頻率顯示正常了，波形也正了，電壓還存在一些差異：

測150kHz三角波，采樣率為150MSa/s，頻率顯示正常了，波形也正了，電壓也正常了，采樣率是波形頻率的1000倍，如下圖：

4.鋸齒波

最后我們來看下150kHz鋸齒波：

測150kHz鋸齒波，采樣率為150kSa/s，如下圖：

測150kHz鋸齒波，采樣率為15kSa/s，頻率從150kHz變成了924mHz，如下圖：

測150kHz鋸齒波，采樣率為300kSa/s，頻率顯示正常了，但是波形不正，電壓也有差異：

測150kHz鋸齒波，采樣率為3MSa/s，頻率顯示正常了，波形正了，電壓有差異，如下圖：

測150kHz三角波，采樣率為150MSa/s，頻率顯示正常了，波形也正了，電壓也正常了，如下圖：

總結

通過以上一系列的實際測試，相信大家對于被測信號應該要多大采樣率有所了解，有時候發(fā)現測出波形和想象中的相差甚遠，也可以從采樣率的角度去考慮原因。

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審核編輯 黃宇