关于示波器的采样率

关于示波器的采样率

很多年前，我刚学习示波器时，看到了一句英文，叫”Keep an eye on the Sampling Rate”。我将之翻译成时刻警惕采样率”。这成为我一直在强调的高保真捕获的6 大原则之一。采样率这个概念是如此的简单，以致人们觉得专门辟

文谈它都不是很必要。我想将我的关于系列写成经典，硬着头皮将这个基本概

念作为我来鼎阳后的”第三碗剩饭”炒将起来。

如果您是刚开始学习示波器，我的这篇文章和我的其它文章一样，可以成为

最好的教材，没有之一。因为我有热情、有耐心将这些基本概念写出来，写清楚，写透彻，写到位。有些水平一般的，写不透彻;水平高的，不屑于写,怕是

被人误认为水平太差。这就给我留下了坚持炒剩饭的意义感。也是因为我坚持

不装X,强调自己写的东西是浅浅的东西，是”炒剩饭”，所以压力也没有那么大。

为了满足快阅读的需要,列出这篇文章的6 个小标题如下：

1，采样过程反应了数字示波器的本质：将模拟信号离散为一个一个的采样

点

2，最高采样率VS 当前采样率

3，实时采样率VS 等效采样率（随机采样模式，插值算法）

4，欠采样的影响

5，时刻警惕采样率

6，采样率和模拟带宽及数字带宽之间的关联

采样率（Sampling Rate)，顾名思义就是采样的速率，就是单位时间内将模拟电平转换成离散的采样点的速率，譬如采样率为4GSa/s 就表示每秒采样4G 个点。Sa 是Samples 的缩写。有些示波器厂商写作4GS/s。当然，采用不同量纲

关于示波器的带宽

关于示波器的带宽 汪进进 美国力科公司深圳代表处 带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。 示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。 通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。 此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。 我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurement)，分析（Analyse）和归档（Document）。 这五大功能组成的原理框图如图1所示。 图1，数字示波器的原理框图 捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归一化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。 图2，示波器捕获电路原理框图

示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路教科书中处处可见。这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。 由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。 图3，放大器的典型电路 图4，放大器的等效电路模型 图5，放大器的理想波特图

至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。 根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。 需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。 示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。 在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。 Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2 图6，示波器上升时间和带宽的关系 示波器前端放大器幅频特性的波特图是新示波器发布的“出生证”。 示波器每年需要进行校准，波特图是第一需要校准的数据。示波器波特图的测量方法如图7所示。 信号源从10MHz频率开始逐渐递增发送一定幅值的正弦波送到功分器，功分器将输入的信号能量等分为二后通过等长的线缆分别送到示波器和功率计。 功分器和线缆是无源器件，可以严格定标，信号源本身的幅频特性不可以作为定标仪器，需要通过功率计实测的能量来作为示波器的输入幅值的定标值。 有时候客户会对示波器的波特图很感兴趣，直接用信号源连接到示波器来评估示波器的波特图，在带宽超过1GHz时这种方法是很不严谨的。需要用功率计来作为定标工具！ 2006年二月份的EDN杂志中有文章介绍。 https://www.sodocs.net/doc/16917445.html,/article/CA6305348.html#Calibrating 此外，在计量波特图时需要对示波器每个档位都进行计量,最终产生的波特图是所有档位的结果叠加在一起的。波特图的计量是需要半天时间完成的，并不是想象中那么轻松的工作。如图8所示是力科SDA9000的波特图,我特地将Excel中大量数据显示给大家以使大家对校准的严谨性有深刻认识。 其垂直轴是

示波器原理及其应用分析解析

示波器原理及其应用 示波器介绍 示波器的作用 示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。 示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。 在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。 1．1．示波器的分类 示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。

1.2.1 模拟示波器 模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。 模拟示波器的原理框图如下： 见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。 信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来

示波器主要技术指标及选择资料

精品文档 一、数字示波器的主要性能指标在选择数字示波器时，我们主要考虑其是否能够真实地显示被测信号，即显示信号与被测信号的一致性。数字示波器的性能很大程度上影响到其实现信号完整性的能力，下面根据其主要性能指标进行详细分析。示波器最主要的技术指标是带宽、采样率和存储深度 1、带宽如图1所示，数字示波器带宽指输入不同频率的等幅正弦波信号，当输出波形的幅度随频率变化下降到实际幅度的70.7％时的频率值（即f-3dB）。带宽决定了数字示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，数字示波器对信号的准确显示能力下降。实际测试中我们会发现，当被测信号的频率与数字示波器带宽相近时，数字示波器将无法分辨信号的高频变化，显示信号出现失真。例如：频率为100MHz、电压幅度为1V的信号用带宽为100MHz的数字示波器测试，其显示的电压只有0.7V左右。图2为同一阶跃信号用带宽分别为4GHz、1.5GHz和300MHz 的数字示波器测量所得的结果。从图中可以看出，数字示波器的带宽越高，信号的上升沿越陡，显示的高频分量成分越多，再现的信号越准确。实际应用中考虑到价

（数字示波格因素器带宽越高价格经过实践越贵），我们经验的积累，发现只要数字示波器带宽为被测信号最高频率的倍，即可获得3-5的精2%3%到±±满足一般的测度，示波器所试需求。能准确测量的频大家都遵率范围，循测量的五倍法示波器所需带则：被测信号的最宽=使，高信号频率*5用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过，对大多－2%＋/的操作来说已经足够。 、采样率，2指数字示波器对信号采样的频率，精品文档． 精品文档 表示为样点数每秒（S/s）。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重

数字示波器原理及使用

数字示波器的原理及使用 【摘要】示波器就是以直角坐标为参数系,以时间扫描为时基两维地显示物理量——电量瞬时变化的仪器,它不但能观测低频信号(包括单次信号),同时也能观测高频信号与快速脉冲信号 ,并能对其表征的参量进行分析与测量。随着数字集成电路技术的发展而出现的数字存储示波器,不但能对波形进行显示,还能对波形进行存储、分析、计算,并能组成自动测试系统,使之成为了电子测量领域的基础测试仪器之一。 关键词:示波器,信号,数字集成电路,数字存储 【Abstract】Oscilloscope is an instrument that can display electrical signals in rectangular coordinates system based on amplitude and time、It can not only observe the low-frequency signal (including single signal), but also the high-frequency signal and pulse signal, and parameters on the characterization of the analysis and measurement、The digital storage oscilloscope was invented with the development of digital integrated circuit technology, which can not only display the waveform but also can store, analysis, calculate the Parameters of the signal and can form an automatic testing system、The digital storage oscilloscope have become one of the basic testing instrument for electronic measurement 、 Keywords: oscilloscope,signal,digital integrated circuit, digital storage oscilloscope 1、前言 随着数字集成电路技术的发展,数字式示波器的出现以其存储波形及多种信号分析、计算、处理等优良的性能逐步取代模拟示波器。与模拟示波器相比,数字示波器可以实现高带宽及方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理,例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。 2、数字示波器的基本原理 2、1数字存储示波器的组成原理 典型的数字示波器原理框图如图2、1所示,它分为实时与存储两种工作状态,当其以实时状态工作时,其电路组成原理与模拟示波器相同。当其以存储状态工作时,它的工作过程一般分为存储与显示两个阶段,在存储工作阶段,模拟输入信号先经过适当的放大或衰减,然后经过采样与量化两个过程的数字化处理,将模拟信号转化成数字信号后,在逻辑控制电路的控制下将数字信号写入到存储器中。量化过程就就是将采样获得的离散值通过 A/D转换器转换成二进制数字。采样,量化及写入过程都就是在同一时钟频率下进行的。在显示工作阶段,将数字信号从存储器中读出来,并经D/A转换器转换成模拟信号,经垂直放大器放大加到CRT 的Y偏转板。与此同时,CPU的读地址计数脉冲加之D/A转换器,得到一个阶梯波的扫描电压,加到水平放大器放大,驱动CRT的X偏转板,从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。

数字示波器及其简单原理图

数字示波器及其简单原理图 数字示波器可以分为数字存储示波器（DSOs）、数字荧光示波器（DPOs）、混合信号示波器（MSOs）和采样示波器。 数字式存储示波器与传统的模拟示波器相比，其利用数字电路和微处理器来增强对信号的处理能力、显示能力以及模拟示波器没有的存储能力。数字示波器的基本工作原理如上图所示当信号通过垂直输入衰减和放大器后，到达模-数转换器（ADC）。ADC 将模拟输入信号的电平转换成数字量，并将其放到存贮器中。存储该值得速度由触发电路和石英晶振时基信号来决定。数字处理器可以在固定的时间间隔内进行离散信号的幅值采样。接下来，数字示波器的微处理器将存储的信号读出并同时对其进行数字信号处理，并将处理过的信号送到数-模转换器（DAC），然后DAC的输出信号去驱动垂直偏转放大器。DAC也需要一个数字信号存储的时钟，并用此驱动水平偏转放大器。与模拟示波器类似的，在垂直放大器和水平放大器两个信号的共同驱动下，完成待测波形的测量结果显示。数字存储示波器显示的是上一次触发后采集的存储在示波器内存中的波形，这种示波器不能实时显示波形信息。其他几种数字示波器的特点，请参考相关书籍。

Agilent DSO-X 2002A 型数字示波器面板介绍

该示波器有两个输入通道CH1和CH2，可同时观测两路输入波形。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。 荧光屏（液晶屏幕）是显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。 操作面板上的各个按钮按下后，相应参数设置会显示在荧光屏上。 开机后，荧光屏显示如下： 测试信号时，首先要将示波器的地（示波器探笔的黑夹子）与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头接触被测点（信号端）。按下Auto Scale，示波器会自动将扫描到的信号显示在荧光屏上。 输入耦合方式：模拟示波器输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)；部分数字示波器则没有ＧＮＤ耦合这种方式，其通过在屏幕上直接标注零电平线的位置的方法来实现ＧＮＤ耦合（用来确定零电平线）的功能。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观

示波器测量之带宽与采样率

在具体测试过程中，示波器到底选择多少带宽比较合适呢？ 首先，看下面的实例。 从上图可以看出，带宽越大，所能显示的信号频率分量越丰富，也就能更加接近真实的信号波形。 1、示波器带宽的精确计算 可按照以下步骤来完成计算： a、判断被测信号的最快上升/下降时间 b、判断最高信号频率f f=0.5/RT(10%~90%) f=0.4/RT(20%~80%) c、判断所需的测量精确度 所需精确度高斯频响最大平坦频响 20%BW=1.0*fBW=1.0*f 10%BW=1.3*fBW=1.2*f 3%BW=1.9*fBW=1.4*f d、计算所需带宽。 举例说明： 判断一个高斯响应示波器在测量被测数字信号时所需的最小带宽，其中被测信号最快上升时间为1ns（10%~90%）： f=0.5/1ns=500MHz 若要求3%的测量误差：所需示波器带宽=1.9*500MHz=950MHz 若要求20%的测量误差：所需示波器带宽=1.0*500MHz=500MHz 因此，决定示波器带宽的重要因素是：被测信号的最快上升时间。 示波器的系统带宽由示波器带宽和探头带宽共同决定： a、高斯频响：具备高斯频响的示波器，按照10%到90%的标准衡量，上升时间约为0.35/fBW 系统带宽2=示波器带宽2+探头带宽2

b、最大平坦频响：系统带宽=Min{示波器带宽，探头带宽} 例如：1GHz带宽的示波器，配置1GHz带宽的无源探头，若它们的频响为高斯频响，则系统带宽为：700MHz左右。 2、影响示波器带宽的因素 通常，这些因素有：采样率、频响曲线。 a、频率曲线 频响曲线如下图所示。 带宽 被测信号的频率→ b、采样率 根据Nyquist采样定律，采样频率必须2倍于信号最高频率，即： Fs>2*fmax 才能保证信号可以被无混叠的重构出来。 （1）对于理想砖墙频响来说，采样率=示波器带宽*2，即可重构出信号。但是该情况在真实世界中是不存在的，大多数示波器的频响都是介于理想砖墙频响和高斯频响之间。 （2）对于高斯频响，采样率=示波器带宽*4，可对被测信号中的大部分频率成分进行无混叠重构。通常实际示波器的频响大多比高斯频响陡一点。 （3）对于最大平坦频响，采样率=示波器带宽*2.5，即可对被测信号中的大部分频率成分进行恢复。目前一些高端示波器都可以做到利用2.5倍带宽的采样率来完成信号重构。 是不是采样率越高量测精度越高？

(整理)数字存储示波器的原理及使用

数字存储示波器的原理及使用 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。目前大量使用的示波器有两种：模拟示波器和数字示波器。模拟示波器发展较早，技术也非常成熟，其优点主要是带宽宽、成本低。但是随着数字技术的飞速发展，数字示波器拥有了许多模拟示波器不具备的优点：不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能；具有输入输出功能，可以与计算机或其他外设相连实现更复杂的数据运算或分析。随着相关技术的进一步发展，数字示波器的频率范围也越来越高了，其使用范围将更为广泛因此，学习数字示波器的使用具有重要的意义。 实验目的 1. 了解数字示波器的工作原理； 2. 掌握数字示波器的使用方法； 3. 会用数字示波器测量未知信号的参数。 实验原理 数字存储示波器与模拟示波器不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能。而且测量精度高，还可以存储和调用显示特定时刻信号。 一个典型的数字存储示波器原理框图如图1所示，模拟输入信号先适当地放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM（存储器）中，CPU从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。GPIB为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。 由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。 1. 波形的取样和存储 由于数字系统只能处理离散信号，所以必须对模拟连续波形先进行抽样，再进行A/D 转换。根据Nyquist定理，只有抽样频率大于要处理信号频率的两倍时，才能在显示端理想地复现该信号。 由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。

示波器基本原理

目录 第一章示波器基本原理 (2) 1、1 模拟示波器 (2) 1、1、1示波管 (2) 1、1、2模拟示波器方框图 (3) 1、2 数字存储示波器（DSO） (4) 第二章示波器的使用 (5) 2、1示波器的各个系统和控制 (5) 2、2示波器的正确使用 (7) 第三章模拟示波器的校准 (9) 第四章数字存储示波器的使用和校准 (13) 4、1 TDS220的结构 (13) 4、2 TDS220的常规检查 (14) 4、3 TDS220的校准过程 (16)

第一章 示波器基本原理 示波器是一种图形显示设备，它能够直接观测和真实显示被测信号，是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器，它可分为模拟和数字类型。下面就分模拟和数字部分对示波器的基本原理进行简单介绍。 1、1 模拟示波器 模拟示波器是第一代示波器产品，拥有极佳的"波形更新率"（约每秒超过二十万次），它仅仅在扫描的回扫时间及闭锁（Hold off ）时间内不显示信号，因此又称为模拟实时示波器（Analog Real Time Oscilloscope ）。由于模拟示波器是数字示波器在的基础，我们先来看模拟示波器的工作原理。 1、1、1示波管 模拟示波器的心脏是阴极射线管（CRT ），示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏组成，它们被密封在真空的玻璃壳内，如图1-1所示。 电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打在荧光屏上，荧光屏的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。 电子在从电子枪到屏幕的途中要经过

偏转系统，在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平（X ）偏转板和垂直（Y ）偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。 将输入信号加到Y 轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X 轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹 1、1、2模拟示波器方框图 从上一小节可以看出，只要控制X 轴偏转板和Y 轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。因此，只要在示波管的X 轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y 轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信号随时间变化的图形。电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。因此，往往给X 轴加上锯齿波。 示波器的基本组成框图如图1-2所示，它主要由示波管、Y 轴系统、X 轴系统三部分组成。此外还包括电源电路，它产生电路中需要的多种电源。示波器中还往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。 被测信号通过探头到达示波器的垂直系统，经衰减器适当衰减后送至垂直放大器，放大后产生足够大的信号，加到示波管的Y 轴偏转板上，控制亮点在屏幕中的上下移动。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y 轴的被测信号引入X 轴系统的触发系统，启动或触

示波器的三大关键指标

带宽、采样率和存储深度是数字示波器的三大关键指标。相对于工程师们对示波器带宽的熟悉和重视，采样率和存储深度往往在示波器的选型、评估和测试中为大家所忽视。这篇文章的目的是通过简单介绍采样率和存储深度的相关理论结合常见的应用帮助工程师更好的理解采样率和存储深度这两个指针的重要特征及对实际测试的影响，同时有助于我们掌握选择示波器的权衡方法，树立正确的使用示波器的观念。 在开始了解采样和存储的相关概念前，我们先回顾一下数字存储示波器的工作原理。 图1 数字存储示波器的原理组成框图 输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器，前端放大器将信号放大，以提高示波器的灵敏度和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样，并由A/D转换器数字化，经过A/D转换后，信号变成了数字形式存入内存中，微处理器对内存中的数字化信号波形进行相应的处理，并显示在显示屏上。这就是数字存储示波器的工作过程。 采样、采样速率 我们知道，计算机只能处理离散的数字信号。在模拟电压信号进入示波器后面临的首要问题就是连续信号的数字化（模/数转化）问题。一般把从连续信号到离散信号的过程叫采样（sampling）。连续信号必须经过采样和量化才能被计算机处理，因此，采样是数字示波器作波形运算和分析的基础。通过测量等时间间隔波形的电压幅值，并把该电压转化为用八位二进制代码表示的数字信息，这就是数字存储示波器的采样。采样电压之间的时间间隔越小，那么重建出来的波形就越接近原始信号。采样率（sampling rate）就是采样时间间隔。比如，如果示波器的采样率是每秒10G次（10GSa/s），则意味着每100ps进行一次采样。

关于示波器的采样率-汪进进

关于示波器的采样率汪进进

关于示波器的采样率 采样率（Sampling Rate)，顾名思义就是“采样的速率”，就是单位时间内将模拟电平转换成离散的采样点的速率，譬如采样率为4GSa/s就表示每秒采样4G个点。Sa是Samples的缩写。有些示波器厂商写作4GS/s。当然，采用不同量纲的单位就是MSa/s、MS/s，KSa/s、KS/s，Sa/s，S/s。 1，采样过程反应了数字示波器的本质：将模拟信号离散为一个一个的采样点 数字示波器区别于模拟示波器的一个最大不同是将模拟信号进行离散化。我们常说的话是，“在数字世界里，永远只有0和1”。如何将那些各种不同形状的模拟信号转换成为0和1呢? 图1和图2表示了示波器将模拟信号离散化的过程。采样-保持电路根据采样时钟将连续的模拟信号“等时间间隔地”、“实时地”转换为离散的电平，离散的电平再经过模数转换器（ADC）转换为一系列的0和1。对于8位ADC来说，8个连续的0和1组成一个采样点，代表了一个电平值。示波器将这些离散的采样点直接显示或将点和点通过某种方式相连显示为示波器屏幕上的波形。示波器保存的离散的采样点的个数就是“存储深度(memory）”。 INPUT WA VEFORM SA MPLED WA VEFORM SA MPLING CLOCK 图1 采样-保持电路将模拟信号转换成一个一个离散的电平 汪进进 深圳市鼎阳科技有限公司

图2 ADC将模拟信号离散化为0和1组成的采样点 将图1和图2的离散化过程换个示意图来表达，如图3所示，离散的采样点之间的间隔就是采样周期，采样周期的倒数就是采样率。采样率4GSa/s就表示两个采样点之间的间隔为500ps。在“点显示”方式和“线性插值”模式下，将示波器屏幕上的波形展开，有些示波器能看出屏幕上等时间间隔的采样点，打开示波器光标可以测量出两个点之间的间隔即为采样周期。 图3 采样周期表示相邻两个采样点之间的间隔 2，最高采样率 VS当前采样率 在示波器的前面板上通常都会标识采样率，如图4所示是中国首款智能示波器SDS3000系列中的一款SDS3054，她的面板上标识了采样率为 4GS/s，该采样率就是指这台示波器可以工作到的最高采样率。

数字示波器的使用

数字示波器的使用 实验报告 姓名： 学号： 座位号： 指导教师： 报告箱号： 实验日期：年月日星期第节

数字示波器的使用 预习提示：完整地学习使用某一仪器的最好方法一般是对照着用户手册，按照提示一步一步地操作，并观察记录实验现象和结果，思考自己所完成的仪器操作的作用。但初次接触像示波器这样的通用仪器，一方面，我们不可能在短时间内学会其所有的操作；另一方面，通用仪器的各种功能之间并不一定有直接的相互关联，我们可以选择其中的部分功能进行学习，其他功能可以留到以后用到时再参考用户手册来学习和实践。实验预习时，学生可以粗读用户手册中与实验内容相关的章节（第一章和第二章），知道有关功能/操作大致是哪些步骤、可以得到哪些结果。千万不要尝试去“背诵”用户手册的某个章节甚至整本用户手册。 实验目的： 预习作业： 1.示波器是一个什么样的仪器？它有哪些应用？ 2.本实验所用数字示波器的电压显示范围V pp是_________；若待测量信号的V pp小于此值，则可将信号 直接接到数字示波器的信号输入端（通道1或通道2）；若待测量信号的V pp大于此值，则需用示波器10:1衰减探头，且在探头线___________开关打开的情况下才能将信号接入示波器。 3.信号接入示波器之后，如果发现信号幅度纵向只占屏幕的很小部分或上下均超出屏幕显示范围，应调 节相应通道的________旋钮；若信号纵向偏离屏幕中心位置，则应调节相应通道的_________旋钮。若屏幕上显示的信号周期数太少或太多，则应调节该通道的________旋钮。 4.若屏幕上显示的信号一直在左右移动，很可能是因为_________源/模式选择或________电平设置不当。 5.（本题可在实验过程中完成）电压档位显示在液晶屏的_________位置，时基档位显示在液晶屏的 _________位置，触发源和触发模式选择显示在液晶屏的________位置。 6.（本题可在实验过程中完成）屏幕上，信号电压的零点由显示屏________位置的_______符号来指示。 信号以直流耦合方式输入时的指示符号是________；信号以交流耦合方式输入时的指示符号是 ________。

示波器的原理和使用 实验报告

示波器的原理和使用实验报告 在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍一下示波器的原理和使用方法。 1、示波器工作原理 示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。 1.1、示波管 阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。 图1示波管的内部结构和供电图示

1.荧光屏 现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。 当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s 为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。 由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。 2.电子枪及聚焦 电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。

如何选择合适的示波器带宽

如何选择合适的示波器带宽 来源:安捷伦科技作者:Johnnie Hancock 带宽是大多数工程师在选择一款示波器时首先考虑的参数。本文将为您提供一些有用的窍门，教您如何为您的数字和模拟应用选择合适的示波器带宽。但首先，我们先看看示波器带宽的定义。 示波器带宽的定义 所有示波器都表现出如图1所示的在较高频率处滚降的低通频率响应。大多数带宽参数在1 GHz及以下的示波器通常表现为高斯响应，即具备约从-3 dB频率的三分之一处开始缓慢滚降的特性。而那些带宽规格超过1 GHz的示波器通常则具备最大平坦频率响应，如图2所示。这种频响通常表现为带内响应较平缓，而在约-3 dB频率处滚降较陡。 图1：低通频率响应

图2：最大平坦频率响应 示波器的这两种频率响应各有各的优缺点。具备最大平坦频响的示波器比具备高斯频响的示波器对带内信号的衰减较小，也就是说前者对带内信号的测量更精确。但具备高斯频响的示波器比具备最大平坦频响的示波器对代外信号的衰减小，也就是说在同样的带宽规格下，具备高斯频响的示波器通常具备更快的上升时间。然而，有时对带外信号的衰减大有助于消除那些根据奈奎斯特标准(fMAX < fS)可能造成混迭的高频成分。关于奈奎斯特采样理论更深入的探讨，请参看安捷伦应用笔记1587(Agilent Application Note 1587) 。 不论您手头的示波器具备高斯频响、最大平坦频响还是介于二者之间，我们都将输入信号通过示波器后衰减3 dB时的最低频率视为该示波器的带宽。示波器的带宽和频响可以利用正弦波信号发生器扫频测量得到。信号在示波器-3dB频率处的衰减转换后可表示为约-30%的幅度误差。因此，我们不能奢望对那些主要的频率成分接近示波器带宽的信号进行精确测量。 与示波器带宽规格紧密相关的是其上升时间参数。具备高斯频响的示波器，按照10%到90%的标准衡量，上升时间约为0.35/fBW。具备最大平坦频响的示波器上升时间规格一般在0.4/fBW范围上，随示波器频率滚降特性的陡度不同而有所差异。但我们必须记住的是，示波器的上升时间并非示波器能精确测量的最快的边缘速度，而是当输入信号具备理论上无限快的上升时间(0 ps)时，示波器能够得到的最快边沿速度。尽管实际上这种理论参数不可能测得到，因为脉冲发生器不可能输出边沿无限快的脉冲，但我们可以通过输入一个边沿速度为示波器上升时间规格的3到5倍的脉冲来测量示波器的上升时间。 数字应用需要的示波器带宽 经验告诉我们，示波器的带宽至少应比被测系统最快的数字时钟速率高5倍。如果我们选择的示波器满足这一标准，那么该示波器就能以最小的信号衰减捕捉到被测信号的5次谐波。信号的5次谐波在确定数字信号的整体形状方面非常重要。但如果需要对高速边沿进行精确测量，那么这个简单的公式并未考虑到快速上升和下降沿中包含的实际高频成分。 公式：fBW ≥ 5 x fclk 确定示波器带宽的一个更准确的方法是根据数字信号中存在的最高频率，而不是最大时钟速率。数字信号的最高频率要看设计中最快的边沿速度是多少。因此，我们首先要确定设计中最快的信号的上升和下降时间。这一信息通常可从设计中所用器件的公开说明书中获取。 第一步：确定最快的边沿速度 然后就可以利用一个简单的公式计算信号的最大“实际”频率成分。Howard W. Johnson 博士就此题目写过一本书《高速数字设计》。在书中，他将这一频率成分称为“拐点”频率(fknee)。所有快速边沿的频谱中都包含无限多的频率成分，但其中有一个拐点(或称“knee”)，高于该频率的频率成分对于确定信号的形状就无关紧要了。 第二步：计算fknee fknee = 0.5/RT (10% - 90%) fknee = 0.4/RT (20% - 80%) 对于上升时间特性按照10% 到90%阀值定义的信号而言，拐点频率fknee等于0.5除以信号的上升时间。对上升时间特性按照20% 到80%阀值定义的信号而言(如今的器件规范中通常采用这种定义方式)，fknee等于0.4除以信号的上升时间。但注意不要把此处的信号上升时间与示波器的上升时间规格混淆了，我们这里所说的是实际的信号边沿速度。

理解示波器带宽

当示波器用户选择示波器进行关键的测量时，示波器的主要参数指标往往是选择哪一款示波器的唯一标准。示波器最主要的指标参数是： （1）带宽； （2）采样率； （3）记录长度。 带宽- 这个指标能告诉我们什么？ 模拟带宽是一个测量指标，简单的定义是：示波器测得正弦波的幅度不低于真实正弦波信号3dB 的幅度时的最高频率（见的IEEE －1057）。如图1，是一个理想的示波器带宽和幅度测量误差的曲线图，从图1可以看出，当被测正弦波的频率等于示波器的带宽（示波器的放大器的响应是一阶高斯型）时，幅度测量误差大约30%。如果想测量正弦波的幅度误差只有3%，被测正弦波的频率要比示波器的带宽要低很多（大约是示波器的带宽的0.3倍）。由于大多数信号是比正弦波复杂的多，使用示波器测量信号的通用法则是：示波器的带宽是被测信号的频率的5 倍。 带宽- 不能告诉我们什么 最典型的用户选择示波器显示和测量复杂的电和光信号，观测信号在示波器上幅度对时间的显示。模拟带宽，一个示波器重要的指标，它应该定义在频域，而不是在时域。根据采样理论，复杂的信号在频域包含丰富的频谱成分（包含多次正弦波的谐波成分），见图2.利用频谱分析，可以看到被采样信号的频率成分，

然而，如果要充分描述这些频率成分的特点，就必须知道组成复杂信号的每个成分的准确幅度和相位信息。在这种情况下，带宽除了能够告诉将怎样捕获这些细节，其它什么也不能告诉我们。从带宽的测量角度，我们只知道，输入一个频率和带宽相同的正弦波，示波器的幅度测量误差为30%。 带宽和上升时间的关系是什么 除了对通用的信号分析，大多数的工程师也有对时间测量感兴趣，如方波的上升时间和下降时间。因此，从指定的带宽可以评估示波器系统的上升时间，我们可以使用下面公式：tr= 0.35/BW（或0.42/BW）；即：BW = 0.35/tr（或0.42/tr）=5*Fclock（一般普通信号的tr=7%*T，其中：T=1/Fclock）。实际信号的带宽：信号谐波幅值将为0次波（基波）的70%（即下降3dB）时的谐波频率。 这里的0.35是示波器带宽和上升时间（一阶高斯模型时的10%-90 ％上升时间）之间的比例系数，示波器的放大器大多数使用的是一阶高斯型RC低通滤波器的响应模型。使用这个公式很容易计算出tr 上升时间，但是，实际往往不是这样的。图3 的表格给出了不同信号标准所需要的测量系统带宽的建议，建议的系统带宽能够保证上升时间或其它测量得到合理的测试精度。注意，仪器系统很多因数都会影响在示波器测试上升时间结果的精度，这些因数包括信号源，探头，以及示波器。图3 表格是假设信号和示波器的测试系统都是一阶响应特性，但是在实际上，特别是今天的高速串行信号，这个假设与实际相差甚远。对于最大平坦包络延迟响应，示波器的带宽和上升时间的关系系数接近0.45.在图3中，可以看出上升时间和带宽比例系数的变化，20GHz 幅频响应模型也发生变化，从简单的一阶响应到32 阶响应。16 阶和32 阶响应类似现在的高性能示波器的响

数字示波器的原理和使用方法

数字示波器的原理和使用方法 在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍一下数字示波器的原理和使用方法。 1、数字示波器工作原理 示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。 1(1 示波管 阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。 1(荧光屏 现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。 当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10,所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0(1s为中余辉，0(1s-1s为长余辉，大于1s为极长

余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。 由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。 2(电子枪及聚焦 电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作 用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。 电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、 G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。 3(偏转系统 偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图8(1中，Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y

示波器基础系列之一 —— 关于示波器带宽

示波器基础系列之一——关于示波器带宽（一） 关于示波器的带宽 带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。 通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。 我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurment)，分析（Analyse）和归档（Document）。这五大功能组成的原理框图如图1所示。 图1，数字示波器的原理框图 捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。被测信号首先经过探头和放大器及归一化后成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。

图2，示波器捕获电路原理框图 示波器放大器的典型电路如图3所示。这个电路在模拟电路的教科书上处处可见。这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。

图3，放大器的典型电路 图4，放大器的等效电路模型

至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。在对快沿信号测试中，需要通过该关系式来修正实际被测信号的上升时间。 Measured risetime(tr)2 = (tr signal)2+(tr scope)2+(tr probe)2 示波器前端放大器幅频特性的波特图是新示波器发布的“出生证”。示波器每年需要进行校准，波特图是第一需要校准的数据。示波器波特图的测量方法如图

示波器带宽和采样率选择

1 电源测量中带宽的选择 示波器带宽有四个相关名词：模拟带宽、数字带宽，系统带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半，实用意义不大。触发带宽是示波器厂商“硬”造出来的一个概念，是指示波器触发电 路可以正常工作的最大输入正弦信号的频率。对于高端示波器，触发电路在输入信号频率超过 一定大小就不能工作了! 系统带宽是指示波器前端放大器和探头、测试夹具等组成的测量系统 的带宽。一般不特别说明，带宽即是指示波器的模拟带宽,也就是示波器前端放大器的幅频特 性曲线的截止频率点。示波器的放大器是低通滤波器，其幅频特性曲线如图1所示，带宽就是输入电压幅值降低到输入 -3dB(70.7%)时的截止频率点。 带宽选择的理论依据，用一句话来概括就是带要能覆盖被测信号能量的99%以上。我们知道，任何信号都可以分解为无数次谐波的叠加，但是被测信号分解到多少次谐波之后能量会衰减到只剩下1%呢？这个答案不直观，因此带宽的选择是示波器行业的销售人员几乎每天都会遇 到的问题。这个问题有时侯很严肃，有时侯很滑稽。其实，带宽的选择是一个相对的结果，它取决于被测信号的类型和测量的准确度。最关键的因素是上升时间。上升时间越小，上升沿越陡，被测信号的高次谐波含量越丰富，需要的带宽越大。这里面就需要一些数学上的推导来确 定具体上升时间和信号能量之间的量化关系。业内比较认可的两个带宽选择的原则是： ?当被测信号是串行数据时，串行数据的上升时间如果大于20% UI（一个比特位的时间长度），那么示波器带宽只要达到被测信号比特率的1.8倍就能覆盖信号能量的99.9%。如 果上升时间大于30% UI,只要1.2倍信号的比特率就足够了。现实电路中，串行数据的上升 时间绝大多数在接收端时都大于30%了。因此，对于3Gbps的SATA信号，在经过夹具之后 用4GHz示波器就可以。大家可以用4GHz、6GHz、13GHz测试后比较一下看看。 ?电源不是串行信号，上面的规则并不适用。在很久很久以前，业内一就直流传的带宽选择 依据是“3到5倍”法则，即带宽是被测信号频率的“3到5倍”。其实这里面没有强调上升时间，这个法则不够具有普适性。SI之父Howard Johnson以其个人权威给出一个从示波器上升时间 来选择带宽的原则，但他没有给出详细的推导。