示波器的带宽和采样频率

采样率是数字上的，每秒采样多少个样点。而带宽则是模拟上的，能够测试信号频率的范围。如果一个ADC的采样频率为5G，但是前面搞一个100M的低通滤波器，那采样率就是5G，带宽就是100M了。带宽反映了这个示波器能够测试的频率范围，如果超过这个频率范围，就不准确了。但是有一条最基本的原则：采样频率不得低于信号带宽的2倍。采样率理论上需要满足农效香采样定律，即被测信号的最高频率信号的每个周期理论上至少需要采2个点，否则会造成混叠。但是在实际上还取决于很多其它的因素，比如波形的重构算法等，Siglent系列示波器采用先进的波形重构算法,同时配备有插值算法，精确重构波形。一般来说采样率是带宽的4－5倍就可以比较准确地再现波形带宽与采样率示波器的带宽（BW）直接表现出它所能测量信号的最小上升时间（Tr），它们之间的关系为：BW=0.35/Tr。示波器上标称的采样率都为实时采样率，采样率跟带宽一般没直接关系。对带宽为60M的示波器，它能测量的最小上升时间约为6ns。频率为1M的信号其上升沿也可做到只有200ps，拿这个示波器来测量这个信号的话其上升沿的测量值将大于6ns（探头有‘损耗’），严重失真。对常规信号来说，示波器带宽与所测信号频率之间的关系满足三倍（精度90%）或者五倍（精度97%）原则，对三倍原则60M带宽示波器所能测量的最大频率为20M。示波器知识100问1．对一个已设计完成的产品，如何用示波器经行检测分析其可靠性？答：示波器早已成为检测电子线路最有效的工具之一，通过观察线路关键节点的电压电流波形可以直观地检查线路工作是否正常，验证设计是否恰当。这对提高可靠性极有帮助。当然对波形的正确分析判断有赖于工程师自身的经验。2．决定示波器探头价格的主要因素是什么？答：示波器的探头有非常多的种类，不同的性能，比如高压，差分，有源高速探头等等，价格也从几百人民币到接近一万美元。价格的主要决定因素当然是带宽和功能。探头是示波器接触电路的部分，好的探头可以提供测试需要的保真度。为做到这一点，即使无源探头，内部也必须有非常多的无源器件补偿电路(RC网络)。3．一般的示波器探头的使用寿命有多长时间？探头需不需要定期的标定？答：示波器的探头寿命不好说，取决于使用环境和方法。标准对于探头没有明确的计量规定，但是对于无源探头，至少在更换探头，探头交换通道的时候，必须进行探头补偿调整。所有有源探头在使用前应该有至少20分钟的预热，有的有源探头和电流探头需要进行零点漂移调整。4．什么是示波器的实时采样率？答：实时采样率是指示波器一次采集(一次触发)采样间隔的倒数。据了解，目前业界的最高水平是四个通道同时使用。5．什么是示波器的等效时间采样？答：等效时间采样指的是示波器把多次采集(多次触发)采集到的波形拼凑成一个波形，每次采样速率可能很慢，两次采集触发点有一定的偏移，最后形成的两个点间的最小采样间隔的倒数称为等效采样速率。其指标可以达到很高，如1ps。6．什么是功率因数？如何如何测量？答：功率因数：在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。7．如何表达和测试功率密度？答：功率密度就是单位体积里的功率，一般电源里用W/in3。8．有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况？答：TEK推出的功率测试方案里就有一项功能——B-H曲线的分析，它能反应磁芯的工作状态，还能测出动态电感值，并得出磁芯损耗。9．开关电源的噪声有多种如布线不合理引起的交叉干扰、电感漏磁、二极管反向尖峰...等引起噪声，如何用示波器鉴别？答：TEK的TDS5000示波器上有频域分析、分析噪声的频率段就能分析出噪声的种类，才好用相应的处理方法。示波器只能提供数据分析和波段形显示。10．用示波器怎样可以测试到开头电源的幅射？答：开关电源存在幅射干扰，一般做法是设法探出干扰源，然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立叶变换的功能分析其频率成份构成，根据频率范围，从而判断干扰的种类。11．在反激式电源设计过程当中，经常会因为变压器漏感大，而使变压器的转换效率降低，绕制时采用初级中间夹绕次级的方式仍然不大理想。变压器绕制有什么技巧吗？答：将大功率的输出绕组绕在里面，尽量靠近原边，加强偶合。12．有没有能分析开关损耗的示波器？答：泰克的电源测试系统即TDS5000系列数字荧光示波器加上TDSPWR2功率分析软件就可以轻松的分析开关损耗以及每周期的功率损耗甚至包括RDSON。13．示波器能否进行傅立叶分解？答：现代数字示波器大多具有FFT功能，其中上述系统甚至可以按EN61000－3－2标准对电流谐波进行预测试。14．示波器能否进行滤波处理？如对PWM波进行低通滤波？答：TDS5000可以进行20MHz，150MHz低通滤波，还可以进行一种称之为高分辨率采集的数字低通滤波，在此种模式中采样点的垂直分辨率可从8bits提高到12bits，上述系统可以输出像比如PWM这样的信号按照脉宽变化的趋势的类似正弦波波形。15．使用数字示波器时，对B触发和触发电平的设置与被测信号有什么原则？答：泰克的示波器支持A,Btrigger功能，简单说就是可以双事件序列触发，当选择A-Bseq时，A事件作为主触发，配合B事件捕获复杂的波形。触发方法为A事件arm触发系统，当定义的B事件出现时在B事件处触发。具体详细的触发说明，请参考示波器的手册。16．如何用TDS3052B测量载波频率为几十K，调制波频率为电源频率的已调波的最大值？答：工频输入可能为低频的50Hz/60Hz，同时载波为几十K，一个工频周期为20ms左右，如果示波器需要观测20ms信号，即示波器的duration采集窗口至少为2ms/div×10格，同时根据几十k的载波信号，确定示波器的采样率。最后可以估算出需要的采集内存长度，判断是否能够满足测试要求。17．使用一台标称100MHz的DSO示波器，测量一个高频开关幅值400V，f=50M，示波器如何描绘出它的波形和上升时间？答：①示波器的带宽是以正弦波幅度衰减－3dB点为带宽定义的。②数字示波器中对于波形和上升时间的描绘都是通过实时采样电路和高速A/D变换器获得波形数据，再通过插值运算得到的。③在泰克的示波器中，有实时的处理电路完成所谓的正弦内插功能，在信号采集电路部分完成。当然，很多示波器也是通过示波器的主处理器进行数学运算完成的，这个时候会花比较多的时间。④对于您测量的信号，恐怕使用100MHz的示波器是无法进行。50MHz的方波，理论上应该使用450MHz以上的示波器才能将信号中最重要的9次以下谐波准确重新，从而保证波形不失真。更何况，您恐怕还要考虑信号上升时间的问题，理论上，示波器的上升时间应该比信号快5倍以上。⑤探头也一样，由于普通探头在测量高压的时候会产生高频失真的效应，您应该采用特别的差分探头或者高压探头比如，泰克的P5205，P5100进行测量。18．如何在模拟电路用好数字示波器，比如测音频放大器的小信号，电源的杂波等？答：要注意的问题有：①示波器的接地问题，示波器的机壳和探头的参考地线都是连接地线的，因此良好的接地是测量干扰的首要条件。②示波器参考地线引入的干扰问题，由于普通探头通常都有一段接地线，会与待测点构成一个类似环形天线的干扰路径，引入比较大的干扰，因此要尽量减少这一干扰，可以采用的方法是将探头帽拿掉，不使用探头上引出的地线，而直接使用探头尖端和探头内的地点接触待测点进行测量。③使用差分测量的方法，消除共模噪声。泰克提供一系列的差分探头，比如专门针对小信号的ADA400A可以测量到几百微伏，用于高速信号测量的P7350提供高达5GHz的带宽。④在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集（Hi-Res）的信号捕获模式，可以过滤信号上叠加的随机噪声。19．在测量离板信号线的传导骚扰时，发现在两个特定频点（一个是659K另一个是1.977K）上由两个很大的噪声信号。初步分析是由于板上的开关电源芯片引起的，如何使用示波器测量这样的噪声信号？答：示波器可以测试噪声信号有几个考虑的因素：①被测信号的幅度，是否为小信号，示波器配合探头可以测试uA?级的信号。②被测信号的频率。③探头的连接方式不当会产生噪声，影响测试结果。20．在用泰克的示波器时，如何理解Holdoff这个参数？答：Holdoff（触发释抑）的含义是暂时将示波器的触发电路封闭一段时间（即释抑时间），在这段时间内，即使有满足触发条件的信号波形点示波器也不会触发。在数字示波器中也会用百分比来表示，意义是整个记录长度或者整个屏幕的百分比。示波器的触发部分的作用就是稳定的显示波形，触发释抑也是为了稳定显示波形而设置的功能。主要针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的。比如图中所示，图中红色的点都可以满足触发条件，如果不用释抑功能，触发点将不固定，造成显示不稳定，使用触发释抑后，每次都在同一个点触发，因此可以稳定显示。此外，对于调幅信号等也一样要使用触发释抑。详情请参见泰克文章《示波器XYZ》。30．TDS3032B的带宽是300MHz，采样频率为2.5G/s，采样频率为带宽的8倍。请问带宽和采样频率之间有什么固定关系？我们也有一款其它厂家的示波器，带宽100MHz、采样频率只有200MHz。为什么两个示波器的带宽采样频率比相差这么大？答：带宽是示波器最重要的指标，因为在数字示波器中有ADC，它的采样率理论上需要满足Nyquist采样定律，即被测信号的最高频率信号的每个周期理论上至少需要采2个点，否则会造成混叠。但是在实际上还取决于很多其它的因素，比如波形的重构算法等。泰克示波器采用先进的波形重构算法，被测信号的每个周期只需要2.5个点就能够重构波形。也有的示波器采用线性插值算法，可能就需要10个点。一般采样率是带宽的4－5倍就可以比较准确地再现波形。泰克的TDS3000B系列是“实时采样”示波器，即，它的单次带宽（捕获单次信号的能力）＝重复带宽，您所说的另一种示波器的单次带宽显然不到100MHz，您可以看一下它的指标。31．示波器指标中的带宽如何理解？答：带宽是示波器的基本指标，和放大器带宽的定义一样，是所谓的－3dB点，即，在示波器的输入加正弦波，幅度衰减为实际幅度的70.7%时的频率点称为带宽。也就是说，使用100MHz带宽的示波器测量1V，100MHz的正弦波，得到的幅度只有0.707V。这还只是正弦波的情形。因此，我们在选择示波器的时候，为达到一定的测量精度，应该选择信号最高频率5倍的带宽。32．测量系统的总带宽如何获得？答：测量系统的总带宽＝0.35/上升时间(1GHz以下示波器)。33．在带宽一定的条件下，采样频率太大是否也没有太大的意义？答：带宽是限制被测信号高频分量被捕获的基本条件。使用泰克的示波器每个被测信号周期只需2.5个点就能够最大限度的重构波形。其它一些示波器需要大于4个样点/周期，即100MHZ带宽示波器单次采集至少需要400MS/s的采样率，有些示波器甚至需要10个点（线性内插技术）才能保证采集信号有意义。34．所谓高斯响应示波器和平坦响应示波器各有何优缺点和适合的领域？答：在示波器的规范中并没有平坦相应和高斯相应的指标。在示波器中会出现类似的比较或探讨，可能有如下原因：众所周知，示波器是时域的仪器，从泰克发明第一台可触发的模拟示波器以来，示波器的带宽一直是最重要的指标，它是指示波器内部的前置放大器的模拟带宽。但是，示波器带宽的定义却是频域的定义，即正弦波幅度衰减到-3dB点时的频率点。一个复杂高速信号含有丰富的频谱分量，如果需要精确测量信号，必须知道它们的每一个频谱分量的幅度和相位，所以示波器的幅频特性和相频特性非常重要。从最近几年的发展来看，目前数字示波器的带宽越做越高，从泰克2000年推出TDS70004GHZ带宽示波器，2001年推出TDS60006GHZ