示波器等效采样原理分析

示波器等效采样原理分析

摘要：分析了常见的几种示波器等效采样的原理，并结合实际产品的开发，阐述各种方法的优缺点，局限性及实现的难点和控制要点。

引言：

示波器作为一种通用电子测量设备，为电子生产企业和科研院所经常使用的调试开发工具和教学用具。随着示波器的普及和对示波器性能的提高，对示波器带宽和采样频率的要求也越来越高。而采样频率斌不能无休止的增加，即使采样率还能再增加，但是系统的功耗和发热势必成几何倍率增加，系统的稳定性也接受到前所未有的挑战，尤其是成本的增加更使普通用户无法接受。那么，有没有简单使用的解决办法呢？等效采样的应用解决了周期性信号的高分辨率采样难题。

等效采样的几种方式：

根据奈奎斯特定律，采样频率在信号频率的两倍以上就可恢复原波形。而如果采样频率等于或小于信号频率，如何来获取的实际波形呢，采用等效采样，可以在不同的周期获取不同相位的幅度值，再根据相位将幅度值连续排列，即可将波形复原。

等效采样基本有两种方式来获取等效波形：随机采样和顺序采样。

随机采样，即使用一个固定的频率对信号进行连续多个周期的采样，同时用另一路采样器对采样点的相位进行采样，根据测得的相位对测得的幅度值进行排序，即可获得等效波形。

随机采样有2种方式可获知相位：

如图所示为第一种方式，连续采样多个周期，根据外部附加电路测得的信号频率和采样频率即可得每个采样周期的相位步进，再找出其中触发点的位置就可以对所有的采集点进行排序，以恢复波形。

另一种方式是单周期采样。每测一次同时用外部电路测量被测点和触发点的时间，然后再根据采样频率恢复信号波形。时间的测量可用多种电路实现。比如，使用恒流充放电，充电电流大，放电电流小，即可把极短的时间变成可测量的时间延时。或者把触发脉冲进行积分，对积分线所代表的电压进行采样，使测得的电压对应相应的时间延时。然后根据采样频率恢复被测信号的波形。

随机采样的优点是成本较低，最简单的只是加上频率测量电路，其他都可由软件实现，再复杂一点的就是加上时间测量电路。他的缺点是必须使采样频率和被测信号频率不能成整数倍关系，而是要有一个较小的差值。差值的大小决定了等效采样率的多少。所以说，这种等效采样方式的局限性较大。

顺序采样，即采用一种根据被测信号频率计算出来的采样频率对被测信号进行连续采样，再根据采样频率和被测频率恢复原波形。这种方式要求有被测信号频率测量电路和任意频率发生器。

任意频率发生器是一个技术难点，现在的技术主要有使用PLL和VCO的信号发生器，和使用DDS 原理的信号发生器。前一种由于压控振荡器的输出频率所限，他的频率分辨率受到较大限制，即输出的频率的细度不够。而后一种要产生一种频率较高而且频率又很稳的采样信号是不太可能的。现在大部分文章介绍的等效采样方法基本上都是使用DDS原理的，这种方法在高频时的稳定性和可靠性值得怀疑。

一种折中的方法，固定两个采样频率。根据被测信号的频率决定使用哪种频率的采样时钟。要求被测信号频率和采样频率的最小公倍数是一。两个采样频率的最小公倍数也是一。这种方法可以保证等效采样率是实时采样频率的百倍左右，另外成本也能控制的较好，不需额外的时钟发生电路。

参考文献：

UM-S3C44B0X.pdf 三星公司CPU技术文档

《示波器基础知识》来源于电子爱好者网站

合作者：郑州中健电气设备有限公司

河南工程学院

郑州师专