示波器采样率什么意思

仪器爱好者

想象一下一张照片要怎么样才能清晰？当然是像素点越多，照片包含的原始信息就越接近真实，自然看起来也就越清晰。

我们从示波器上看到的波形其实也可以理解成一张照片，那么这张照片包含的点越多，自然也就越接近真实的样子。示波器的存储深度就是表达了示波器最多能存储多少个数据点。比如28Mpts的存储深度，说明示波器最多可以存储两千八百万个采样点。

对于拍摄一张静止的照片，照相机拍照时间的快慢关系并不大，因为结果并不会改变。但是由于信号是不断变化的，因此对示波器而言更像是在不停拍摄运动的照片，并且是超高速的运动，这个时候除了采样点数量以外，采样点采集的速度也就至关重要了。示波器重建一个信号不仅仅取决于有多少个数据点，采集数据点的速度也很关键。示波器的采样率就是示波器每秒能采集多少个数据点的能力。如果示波器的采样率不足，那么我们就无法准确地看到信号的真实样子。

输入示波器的信号在时间轴和电压轴上也都是连续变化的，由于计算机只能处理离散的数字信号，像这样的信号是无法用数字的方法进行描述和处理，因此还需要用高速ADC对信号进行采样和量化，也就是数字化的过程。经过模数转换后，在时间和电压上连续变化的波形就变为一个个连续变化的数字化的采样点。

在进行采样或者进行数字量化的过程中，如果要尽可能真实地重建波形，最关键的问题就是在时间轴上的采样点是否足够密集以及在垂直方向的电压的量化级数。水平方向采样点的间隔取决于示波器的ADC的采样率，而垂直方向的电压量化级数则取决于ADC的位数。

示波器的运作过程大概是这样的：

我们通过探头给示波器输入一个信号，被测信号经过示波器前端的放大、衰减等信号调理电路后，然后高速ADC模数转换器进行信号采样和数字量化，示波器的采样率就是对输入信号进行模数转换时采样时钟的频率，通俗的讲就是采样间隔，每个采样间隔采集一个采样点。比如1GSa/s的采样率，代表示波器具备每秒钟采集10亿个采样点的能力，此时其采样间隔就是10纳秒。

对于实时示波器来说，目前普遍采用的是实时采样方式。所谓实时采样，就是对被测的波形信号进行等间隔的一次连续的高速采样，然后根据这些连续采样的样点重构或恢复波形。在实时采样过程中，很关键的一点是要保证示波器的采样率要比被测信号的变化快很多。

那么究竟要快多少呢？可以参考数字信号处理中的奈奎斯特（Nyquist）定律。Nyquist定律说， 如果被测信号带宽是有限的，那么在对信号进行采样和量化时，如果采样率是被测信号带宽的2倍以上，就可以完全重建或恢复出信号中承载的信息而不会产生混叠。

如下图就是采样率不足导致的信号混叠，可以看到采集到的信号和原始信号相比，频率变小了很多。

大多数示波器会提供几种采样模式供用户选择，常见的有正常采样、平均采样、峰值采样和包络采样。

正常采样模式下，示波器按相等的时间间隔对信号采样以重建波形。此模式可对大部分波形产生最佳显示效果。

在峰值采样模式中，当水平时基设置较低时，将保留最小采样值和最大采样值，以捕获罕见事件和窄事件（在扩大任何噪声的前提下）。该模式将显示至少与采样周期一样宽的所有脉冲。峰值采样模式可用于更方便地查看毛刺或窄脉冲。在峰值采样模式中，窄毛刺和跳变沿比“正常”采样模式中显示得更亮，使它们更容易被看到。应用峰值采样方式可以避免信号的混淆，但也会显示更多的实际噪声。

使用平均采样模式可平均多个采集结果，以减少所显示信号中的随机或无关噪声。平均多个采样结果需要稳定的触发。平均的数目可在平均采样模式后的选择框内进行设定，平均数目越高，显示的波形对波形变化的响应就越慢。必须在波形对变化的响应速度与信号上所显示噪声的降低程度之间进行折衷。

使用包络采样模式可以看到数次采样到的波形的叠加效果，在指定的N个采样数据中捕获一个信号的最大值和最小值，可设置波形叠加次数，如下图为一个包络采样模式下波形叠加次数为32的调幅信号。

无论选择了哪种采样方式，都要记住保证采样率至少是被测信号带宽的2倍以上，事实上我们更建议是3-5倍以上，这样更容易捕获的波形的异常信息。

最后一件事值得注意的是，示波器的采样率同示波器的带宽不同，当你打开多通道的时候，采样率会被每个通道平均分配。因此如果你打开了多个通道，一定要再次确认下采样率是否依然满足条件。

whseen

用过goldwave和cooledit输出WAV应该都知道，采样率越高声音越清晰。

仪器爱好者

有电快跑 发表于 2020-8-23 22:25
弱弱地问一下大神，请问文中提到的这个“奈奎斯特定律”不会产生混叠的条件，前提需要两个信号都是正弦波么 ...

不是必须正弦波的，这个定律适用所有形式的信号。你说的这个其实是讲等效采样率的时候，等效采样要求信号必须是周期性的，不然就没用。不过现在大多数示波器讲的都是实时采样，很少讲等效采样了。

仪器爱好者

有电快跑 发表于 2020-8-24 18:57
谢谢楼主回复，不过涉及的术语比较多，已经超出我的理解能力范围了
大神能否以一个具体的例子来 ...

示波器不会先对这100个数据进行分析，实时采样就是按照一定时间间隔采集数据点，采样率越大这个间隔自然越小。这样采样的点越多，信号就越接近真实。示波器只负责采集出这些信号0.01：3
0.02：4
0.03：6
0.04：5.7
0.05：9
......
0.98：6.3
0.99：5.5
1.00: 3


示波器要做的是把信号真实地呈现出来，至于这个信号是正弦波还是方波，是我们人眼自己看出来的，事实上由于环境中的干扰实实在在存在，根本就不可能存在很正的正弦波和方波。这也是为什么越高档的示波器采集到的信号越不干净。当然示波器也有很多办法来降低和消除这些干扰，比如高低通（类似强制降低示波器带宽），平均采样模式（这个就是对采集到的数据进行分析处理了）


再解释下为什么等效采样信号必须周期性的。比如一个信号是100MHz，等效采样率是100M/s，那么相当于是在信号的每个周期采集到了一个点，那么信号就会变成一条直线，这个好理解吧？
此时如果我的等效采样率是101M/s，这个再把采集的信号进行分析，就能得到信号的样子，但是信号必须是周期性的，不然他是得不到信号的样子的，你可以思考下为什么。

这也是为什么等效采样率的要求比较低（只有大于信号频率即可），实时采样率的要求比较高的原因（必须至少大于信号频率的2倍以上，事实上一般示波器大厂都是做到4-5倍以上的）
在购买示波器的时候，有些示波器标注1G采样，但是他不告诉你是实时还是等效，即使目前业内基本都是默认实时了。这个时候就看价格了，一般便宜的其实基本都是等效的。就是用100M的ADC，就可以写是1G采样率，其实是等效采样。