数字示波器的基本参数和选型

李秉睿 李小建 黄 龙

(1.云南电网电力研究院，云南 昆明 650217;2.云南电网公司丽江供电局，云南 丽江 674100)

1 前言

数字示波器集信号采集、波形显示、存储和处理功能于一体，成为信号测量和处理不可缺少的工具。根据被测信号的性能正确地选择示波器非常重要。

2 数字示波器的类型

按性能划分数字示波器可大致分为三个类型:数字存储示波器、数字萤光示波器和数字采样示波器。

1)数字存储示波器:是常规数字示波器，它的特点是显示部分是光栅屏幕，而不是萤光。数字存储示波器常用于捕获和显示只发生一次的事件。它的一些子系统与模拟示波器相似，但有更多的数据处理子系统。因此能够收集和显示整个波形数据。从捕获信号到屏幕显示，数字存储示波器采用串行处理体系结构。

2)数字萤光示波器:采用并行结构，微处理器与集成的捕获系统一起并行工作，完成从显示管理、自动测量和设备调节控制的一系列工作，且不影响波形的捕获。因此数字萤光示波器能提供高速的波形采样率。数字萤光示波器有类似模拟示波器的显示属性，并能实时显示时间、幅度及以时间为参变量的幅度变化的三维信号。数字萤光示波器采用完全的电子数字萤光(其实质是不断更新数字萤光数据库)，信号的可视化程度很高。

3)数字采样示波器:主要用于需要高采样率的场合。当测量高频信号时，普通示波器不能在一次扫描中采集足够的样值，而采用比普通数字示波器采集能力高一个数量级的采样示波器却容易做到。在测量重复信号时，它能达到的带宽和高速定时都十倍于其它示波器。这种示波器的高速采样能力是置换了衰减器/放大器与采样桥的位置而得到的。示波器采样后，采样桥的信号频率已变低，可采用低带宽放大器，因此，整个仪器的带宽得到增加。但由于在采样桥之前没有衰减器/放大器，所以不能对信号进行缩放。因此大多数采样示波器的幅度测量动态范围都限制在1V(峰—峰值)左右，而相应的数字存储示波器和数字萤光示波器则为50V到100V的输入信号。

3 数字示波器的基本参数

3.1 带宽

示波器的带宽定义是:正弦输入信号衰减到其实际幅值的70.7%时的频率值，用对数坐标表示是－3ab点。

数字示波器的带宽是指数字示波器模拟信号电路的频带宽度，是对数字示波器的模拟前端而言的，而采样率与数字示波器的采样和模/数(A/D)转换有关。

用通用数字示波器或数字化仪器测量信号时，被测信号必须先通过数字示波器的前置放大器等模拟部分，才能采样和进行模数(A/D)转换。如果数字示波器的模拟通道部分不能让被测信号的全部谐波分量进入示波器，则进入示波器的信号将失真，而数字示波器采样再多，进行模数转换再快，还原的波形再正确，也只得到了一个失真的波形。因此数字示波器的带宽是一个非常重要的参数。

如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨被测信号的高频变化，测量到的波形的幅值将失真、边缘消失、细节数据将得不到，采集到的所有信号特性都毫无意义。

示波器的带宽应高于被测信号的最高频率3～5倍。3倍时被测信号的测量误差将达到5.5%左右，5倍时被测信号的测量误差将小于2%。2%的测量误差对目前的工程信号测量来说是可以接受的，因此提倡测量仪器的带宽应5倍于被测信号的最高频率。如果用1:1的频率进行测量，误差将高达30%－40%。

3.2 采样率

采集系统由采样/保持器和模数转换器A/D组成。采样率即是衡量数字示波器采样和A/D转换速率的，用每秒多少个采样点来表示，即MS/s。其中M代表兆，S代表采样点，s代表时间秒。数字示波器采样和A/D转换速率越高，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件的丢失率就越小。

为了准确地再现信号并避免混淆，数字示波器的采样率必须至少是被测信号最高频率的两倍，这就是奈奎斯特定理。

3.3 上升时间

选择示波器测量上升时间的能力依据类似带宽的选择依据，一般用下面的公式来计算测量特定信号类型示波器的上升时间:

示波器测量的上升时间=被测信号的最快上升时间÷5

这表示示波器能测量的上升时间应比被测信号最快上升时间快5倍，与带宽的选择从数量上是基本一致的。示波器对上升时间测量越快对信号快速变换的捕获也就越准确。

3.4 记录长度

数字示波器的记录长度定义为构成一个完整波形所需的采样点数，它决定了示波器每个通道所能捕获的数据量。实际测量中我们关心的是示波器对一个波形的记录时间长度，由于示波器仅能存储有限数目的波形采样点，波形记录时间要加长，采样率就要下降，波形记录时间与采样率成反比。

现代的示波器允许用户选择纪录长度，以便对被测信号的细节作更深的了解。分析一个稳定的正弦信号，只需要500点的记录长度;而解析一个复杂的数字数据流，则需要示波器有一百万个或更多点的记录长度。

3.5 实时采样

工程测量中，很多信号都是单次或瞬态的。对这些只出现一次的信号，数字示波器采用的是实时采样方式。实时采样方式是数字示波器仅通过一次扫描波形，就能获得足够多的将被测波形精确地重构出来的点。

对只发生一次的信号，必须在信号发生的同一时间内对其采样，如果采样速率不够快，高频成分可能会混叠为低频信号，引起显示混叠。另外实时采样必须用高速存储元件，这也增加了对大信号量时的实时采样的难度。

3.6 等时采样

等时采样主要用于重复信号的信息采集。对一个重复被测信号，数字示波器在一个采样周期内仅采一个或几个点。通过连续不断地n次采集，被测波形的信息被逐渐积累而成。利用这样的方式，即使被测信号的频率成分远高于示波器的采样速率，示波器也能形成精确地采样。

等时采样只能对重复性信号进行工作，由于不断重复采样，采样速率可以达到很高的值，有的数字示波器标示的几十、上百“G”的采样率，所标示的就是等时采样率。

4 基本参数之间的关系

4.1 带宽与采样率

如前所述带宽是衡量数字示波器模拟部分采集信号的能力参数，是数字示波器的最基本参数之一。采样率则是衡量是数字示波器模/数转换的能力，从某种意义上说采样率可以认为是示波器的数字带宽。为真实再现被测信号，在两个带宽下被测信号都应该不失真。因此，通常情况下对测量单次信号而言，带宽与采样率有基本相同的量级，采样率的大小应与带宽相配合，保证通过模拟部分后A/D变换的信号不失真即可。

4.2 带宽与上升时间的关系

示波器的带宽与的上升时间之间的关联是通过一个系数k来确定的，即

式中fb—示波器带宽，单位GHz

tr—示波器测量信号的上升时间，单位ns

k值介于0.35～0.45之间。即:

k值取决于示波器的频率响应特性曲线和对脉冲上升时间的响应。对带宽小于1GHz的示波器，k取0.35;对带宽大于1GHz的示波器，k值通常介于0.40～0.45之间。

这样已知示波器能测量信号的最快上升时间，可用下式得到示波器的带宽。

反过来已知示波器的带宽，也可由上式得到示波器能测量信号的最快上升时间。

4.3 记录长度与采样率

数字示波器的记录长度是表征示波器每个通道能捕获数据量大小的参数。对老式的数字示波器而言，示波器每个通道的记录长度的最大值是衡定(不变)的，而现代数字示波器允许用户选择不同的记录长度。当被测波形的持续时间改变时，如果对被测波形记录长度不变，示波器的采样率将下降，三个量之间的关系为:

式中 t—被测波形持续时间

l—示波器每通道记录长度

s—采样率

公式显示，对被测波形持续记录时间越长，采样率越低，即单位时间内采到的数据点越少。

4.4 实时采样与等时采样

实时采样针对单次出现的瞬态过程，其特点是信号采集与信号发生同时进行，并且示波器有足够的采样率。等时采样用于对重复性信号的测量。在每一个信号重复周期示波器采集信息，n个周期后，采集到的数据点足够精确显示被测信号。

实时采样的采样率是单次的，它是表征数字示波器转换数率的真实参数，是示波器的固有采样率。固有采样率与带宽的值相差不大。

5 结论

1)数字示波器按功能划分，大致可分为三个种类:存储、萤光和采样示波器。

2)带宽是衡量数字示波器模拟回路信号通过能力的重要参数，带宽不够被测信号失真。带宽应是被测信号最高频率的5倍。用1:1的带宽频率进行测量，误差将高达30%－40%。

3)按奈奎斯特定理数字示波器的采样率必须至少是被测信号最高频率的两倍。信号的准确再现取决于示波器的采样率和信号还原的插值法。使用正弦插值法采样率至少是被测信号最高频率成分的2.5倍。使用线性插值法则至少是10倍。

4)示波器能测量的上升时间应比被测信号最快上升时间快5倍，示波器对上升时间测量越快对信号快速变换的捕获也就越准确。

5)采样率的大小应与带宽相配合，保证通过模拟部分后A/D变换的信号不再失真即可。

6)数字示波器的记录长度与采样率成反比，对被测波形持续记录时间越长，采样率越低。

7)实时采样针对单次瞬态过程，其信号采集与信号产生同时进行。等时采样用于对重复性信号的测量。

8)数字示波器的选择根据需要和基本参数进行，为保证测量结果的准确性和真实性应严格按照基本参数加倍原则选型。

［1］李明生.电子测量与仪器［M］.北京高等教育出版社，2004.1.

［2］丁玉美等.数字信号处理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1994.6.

［3］吴正毅.测试技术与测试信号处理［M］.北京:清华大学出版社，1991.4.

［4］S.Tumanski周卫平等译.电气测量原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.10.