详解示波器的三大关键指标

以下文章来源于硬十，作者朱晓明

作为硬件工程师，示波器是我们最亲密的战友。但你是否曾遇到过这样的困扰：明明接了信号，波形却失真严重；想要捕捉瞬间异常，却总是擦肩而过；分析长时间信号，细节却模糊不清……

这些问题，很可能是因为你没有真正理解示波器的三大关键指标：带宽、采样率和存储深度。今天，我们就来彻底搞懂这三个参数，让你的调试工作事半功倍！

带宽：决定你能看多远的“视野”

带宽是示波器最重要的参数，它决定了你能看到什么频率的信号。如果把示波器比作工程师的“眼睛”，那么带宽就相当于你的“视力范围”。

关键点：当信号频率达到示波器标称带宽时，幅度会衰减到真实值的70.7%（-3dB）。这意味着高频成分会被严重衰减。

用低带宽示波器测量高频信号，就像用老花镜看微雕——细节全糊了！

实测案例：用不同带宽示波器观察20MHz方波

20MHz带宽：波形严重失真，几乎变成正弦波

60MHz带宽：能看到方波轮廓，但边沿仍然圆滑

100MHz带宽：波形清晰，边沿陡峭，接近真实信号

经验法则：选择带宽时，至少要是信号最高频率的3倍。对于100MHz的信号，建议选择至少300MHz带宽的示波器。

在进行重要测量时，务必选择具有足够带宽的探头。带宽不足会使信号失真，使工程师很难做出明智的工程测试或设计决定。

普遍接受的带宽计算公式为：评测从 10％ 到90％ 的上升沿时，带宽乘以上升时间等于 0.35。

BW x Tr = 0.35

值得注意的是，整个系统带宽也是需要考虑的重要因素。探头和示波器的带宽都要考虑，从而确定系统带宽。计算系统带宽的公式如下所示。

例如，假设示波器和探头带宽均为 500 MHz。使用上面的公式可知，系统带宽将为353 MHz。可以看到，与探头和示波器的两个单独带宽相比，系统带宽大大降低。

现在，如果探头带宽仅为300 MHz，示波器带宽仍为500 MHz，那么应用上述公式，系统带宽进一步降至 257 MHz。

采样率：决定你看多清的“分辨率”

采样率是示波器每秒钟采集样点的数量，单位是Sa/s（每秒采样数）。它决定了波形细节的还原程度。

关键点：根据奈奎斯特采样定理，采样率至少要是信号最高频率的2倍。但在实际工程中，这个底线远远不够！采样率不足会导致混叠现象——高频信号被错误地显示为低频信号，让你做出完全错误的判断。

血泪教训：曾有工程师用1GSa/s的示波器测量500MHz的信号，理论上满足奈奎斯特定理，但实际上根本无法准确重建波形。

工程实践：采样率应该是带宽的4-5倍。对于100MHz带宽的示波器，采样率最好达到500MSa/s以上，才能保证波形细节不丢失。

对正弦信号进行每周期一次的采样时，得到一个幅度为任意值的直流信号。

信号频率 190kHz、Fs = 200kHz是欠采样信号，却采样到一个低频的信号，所得结果是混叠现象导致的。

对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比较快的信号（这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的），示波器不能够采到足够的采样点来显示波形。因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样，一是实时采样，二是等效采样。

1．实时采样：

一次按照顺序来采集采样点，然后采用计算方法内插一些数据，内插技术是评估用一些点来组成波形是否和原来的图像的靠近程度，一般的内插技术（waveform interpolation）有线性和sin(x)/x两种。

如果没有特别表明的情况下，示波器给出的采样速率都是实时采样速率，也就是一次采样的速率。

实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺序采样的。由于采样得到的点是离散的点，而我们显示一般情况下都是显示波形曲线（当然也可以用点显示模式，但是很少用），这就涉及到一个内插的问题，将点还原为曲线，一般有两种方法：直线连接和曲线模拟，曲线模拟主要使用正弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。

2．等效采样：

每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就是一个完整的图，不过这要求波形是周期性的，否则误差会比较大。等效采样有两种方式：一种是随机采样，另外一种是顺序采样。

对于那些快速信号，实时采样可能一次采不到足够的点，于是就要采用等效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。等效采样有两种，一种是随机采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：

由于是周期性的信号，信号在每个周期都是一样的，随机采样就将整个波形分开采样，随机采集信号，经过数个周期，就能够将一个完整的波形采集完毕，将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。而顺序采样，就是按照顺序来，第一次采1、2、3点，第二次采4、5、6点等，直到将整个波形采集完毕。

无论是哪种等效采样方式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时采样的速率为1GSa/s的示波器，它使用等效采样的方式来采样，每次都用最高的实时采样速率采集数据，花了10次才将一个波形周期采集完毕，那么它的等效采样速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。

对于实时采样，主要表示了单次波形的采集能力，而等效采样，主要用于周期性的信号的采样。比如TDS784的实时采样速率为4GSa/s，而等效采样速率则高达250GSa/s。

存储深度：决定你看多久的“耐力”

存储深度是示波器一次触发能存储的采样点数，单位是pts。它决定了在高采样率下能够捕获多长时间的信号。

关键点：存储深度、采样率和捕获时间存在铁三角关系：捕获时间 = 存储深度 / 采样率

虽然存储深度是示波器的四大指标之一（分别为带宽、采样速率、通道数和存储深度），但是最后一个指标，厂家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他们有意淡化这个问题而已。比如TDS794D的存储深度，标准配置为每通道50k点。存储深度和采样速率的关系是：

存储深度＝最快采样速率×最大采样速率时限×500

上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50个点，共500个点。最大采样速率时限是指，示波器在最快的采样速率情况下，需要多长时间就可以将存储器存满。如果超过此时限，就会溢出了，实际上不会溢出，而是采取降低采样速率的方法。

例如上面的TDS794D，在标准配置的情况下，如果用最大的采样速率（4GSa/s）采样时，它的最大采样速率时限为25ns，此时时基为25/10＝2.5ns/p（注：实际上没有这个档，比较说明而已），也就是意味着，如果你将时基调整到2.5ns/p以上时，采样速率就要降低。大家平时也可能注意到，当我们测试数兆频率的信号，示波器左上角显示的采样速率会远远比示波器的最高采样速率要小。

存储深度比较大的好处在于，测试比较低速的信号时，能够以比较高的采样速率来取样，也就是能够看到更多的细节，这就是存储深度的奥妙所在。

下图显示了Agilent的54600系列示波器深存储器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般来说，低端示波器的存储深度都比较低，比如数k到数十k，但是它配备了每通道深达2M的存储器，它兼顾了示波器长时间捕获及高速采样两个方面，因此能够看到波形细节的可能性大大增大。在图中，每个周期中叠加了1500脉冲，其中有一个失真，示波器就以高亮度显示，通过放大该亮点，就可以看出脉冲失真的细节来。

值得指出的是，存储深度和采样速率都有单通道、双通道、全通道等的差别。比如794D的采样速率为4GSa/s，其实它是单通道下面的最高采样速率，如果开了双通道，就变成了每个2GSa/s，如果开了三个以上通道，就变成每个通道1GSa/s，同理，在存储深度也有这样的情况，就是通道存储深度。但是这个不是绝对的，有很多例外的情况，如TDS220，厂家标的采样速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同样部分示波器标配的存储器为50k深度，是所有的通道都是50k，这些细节需要查看厂家的手册才比较明确。还有的694C，也是每个通道采样速率达10GSa/s，不是所有通道采样速率的和。

带宽、采样率与存储深度的关系

带宽、采样率和存储深度是示波器的三大核心参数，它们共同决定了示波器的性能。带宽决定了示波器能够准确测量的信号频率范围；采样率决定了示波器在该频率范围内能够以多高的精度采集信号；存储深度则决定了示波器能够记录信号的时长。在实际应用中，这三个参数需要综合考虑。例如，如果你需要测量一个高频信号，首先需要选择足够高的带宽；其次，为了准确捕捉信号细节，采样率应至少是信号最高频率的两倍；最后，为了记录较长时间的信号，存储深度也需要足够大，以确保在高采样率下能够捕获完整的波形。