示波器那些事兒--之采樣率

采樣率（Sampling Rate）顧名思義就是“采樣的速率”，就是單位時(shí)間內(nèi)將模擬電平轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)的速率。采樣過(guò)程反映了數(shù)字示波器的本質(zhì)：將模擬信號(hào)離散為一個(gè)一個(gè)的采樣點(diǎn)。
數(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)最大不同是將模擬信號(hào)進(jìn)行離散化。在數(shù)字世界里，永遠(yuǎn)只有0和1。如何將那些各種不同形狀的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0和1呢？采樣保持電路根據(jù)采樣時(shí)鐘將連續(xù)的模擬信號(hào)“等時(shí)間間隔的”、“實(shí)時(shí)的”轉(zhuǎn)換為離散的電平，離散的電平再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為一系列的0和1。對(duì)于8位ADC來(lái)說(shuō)，8個(gè)連續(xù)的0和1組成一個(gè)采樣點(diǎn)，代表了一個(gè)電平值，示波器將這些離散的采樣點(diǎn)直接顯示或?qū)Ⅻc(diǎn)和點(diǎn)通過(guò)某種方式相連顯示為示波器屏幕上的波形。

離散的采樣點(diǎn)之間的間隔就是采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣率，例如，采樣率2GSa/s就表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔為1ns。在“點(diǎn)顯示”方式和“線性插值”模式下，將示波器屏幕上的波形展開(kāi)，有些示波器能看出屏幕上等時(shí)間間隔的采樣點(diǎn)，打開(kāi)示波器光標(biāo)可以測(cè)量出兩個(gè)點(diǎn)之間的間隔即為采樣周期。

某些示波器可以選擇采樣方法：“實(shí)時(shí)采樣（real-time sampling）”或“等效時(shí)間采樣（effective time sampling）”。
實(shí)時(shí)采樣特別適合頻率范圍不到示波器最大采樣率（備注：在示波器的面板上通常都會(huì)有標(biāo)識(shí)采樣率，該采樣率就是指這臺(tái)示波器可以工作到的最高采樣率。但是，實(shí)際上示波器的“當(dāng)前采樣率”由于受到存儲(chǔ)深度的限制，隨著示波器采集時(shí)間的增加，采樣率會(huì)被強(qiáng)迫地自動(dòng)下降，通常可能小于最高采樣率。）一半的信號(hào)，這里示波器可以在波形一次“掃描”中，采集超過(guò)足夠量的點(diǎn)，構(gòu)建準(zhǔn)確的畫(huà)面，實(shí)時(shí)采樣是使用示波器捕獲快速、單次、瞬態(tài)信號(hào)的唯一方式。

等效時(shí)間采樣基于這樣一個(gè)事實(shí)，那就是大多數(shù)自然發(fā)生的事件和人為事件都是重復(fù)的。等效時(shí)間采樣從每次重復(fù)中捕獲少量信息，構(gòu)建重復(fù)的信號(hào)畫(huà)面。波形像一串燈，一直慢慢匯聚，一個(gè)接一個(gè)的亮起。這允許示波器準(zhǔn)確地捕獲其頻率成份遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣率的信號(hào)。

等效時(shí)間采樣方法有兩種：“隨機(jī)等效采樣模式”和“順序等效采樣模式”。兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)，隨機(jī)等效采樣模式允許顯示觸發(fā)點(diǎn)前面的輸入信號(hào)，而不使用延遲線路。順序等效采樣模式提供的時(shí)間分辨率和精度則要高得多。這兩種方法都要求輸入信號(hào)是重復(fù)的。

要確保過(guò)采樣，而不要欠采樣。欠采樣時(shí)示波器不能真實(shí)的還原原始波形，表現(xiàn)為波形局部細(xì)節(jié)丟失、失真等現(xiàn)象。

采樣率嚴(yán)重不夠會(huì)導(dǎo)致混疊，信號(hào)本來(lái)是左圖中黑線表示的正弦波，測(cè)量到的信號(hào)也仍然是正弦波，但頻率發(fā)生了改變。

那么在示波器的使用上，到底該如何選擇采樣率呢？一個(gè)原則就是：感興趣的信號(hào)上升沿能采樣3-5個(gè)點(diǎn)。上升沿能采樣最少有3個(gè)點(diǎn)，達(dá)到5個(gè)點(diǎn)就足夠了，采樣更多的樣本點(diǎn)意義也并不大，如表所示對(duì)于上升時(shí)間為1ns的信號(hào)，如果上升沿采樣5個(gè)點(diǎn)，也就是每間隔0.2ns采樣一個(gè)點(diǎn)，采樣率需要5GSa/s以上，表中可以看出當(dāng)采樣率為5GSa/s和10GSa/s時(shí)，測(cè)量上升時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果是一樣的，方差值都是0.02ns。

總之，判斷采樣率是否足夠，首先還是要看您感興趣的信號(hào)的細(xì)節(jié)的上升時(shí)間是多少。以感興趣的上升時(shí)間除以5得到采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣率?；蛘哒f(shuō)是“5除以上升時(shí)間”就得到要求的采樣率。