示波器带宽和采样率

news2024/12/26 10:43:51

示波器带宽概念定义:
在示波器的输入端加相同幅值的正弦波,幅度衰减至-3dB(70.7%)时的频率点就是示波器的带宽。
如果我们用100MHz带宽的示波器测量:幅值为1V ,频率为100MHz 的正弦波时,实际得到的幅值会不大于0.707V。

那么作为示波器的首要参数指标,“带宽不足”对波形测量有哪些影响呢 ?我们用20M、60M、100M带宽的示波器分别观察20M的方波信号

                                                           20M示波器

                                                           60M示波器

                                                     100M示波器

由上面三张图可以看出:
20M示波器基本无法观察到方波形状,另外100M示波器的观察效果比60M示波器要好,下面我们来一起分析原因:

                                              方波信号有限次谐波合成波形图

                                                               20M方波频谱


上图中,我们可以看到方波是由基波以及3、5、7、9……等奇次谐波分量递加而成。所以20M的方波包含20M基波、60M三次谐波,100M五次谐波,140M七次谐波……

如果要对波形进行准确测量,应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率,但是对与非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。

带宽不足具体的影响表现在以下两个方面:
1、由低带宽导致主要谐波分量消失,使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波;
2、低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。

所以示波器的带宽越高,实际测量也就越精确,当然价格和成本也会更高,那么我们需要多大带宽的示波器才合适呢?
一般所测信号最大频率的5倍,就是最合适的带宽,即带宽的五倍法则。

采样率简介

采样频率,也称为采样速度或者采样率,定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数,它用赫兹(Hz)来表示。 采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间,它是采样之间的时间间隔。 通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个信号样本。

采样定理

所谓采样定理,又称香农采样定理,奈奎斯特采样定理,是信息论,特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。

采样是将一个信号(即时间或空间上的连续函数)转换成一个数值序列(即时间或空间上的离散函数)。 采样定理指出,如果信号是带限的,并且采样频率高于信号带宽的两倍,那么,原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。

带限信号变换的快慢受到它的最高频率分量的限制,也就是说它的离散时刻采样表现信号细节的能力是有限的。

采样定理是指,如果信号带宽不到采样频率的一半(即奈奎斯特频率),那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。 高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。 大多数应用都要求避免混叠,混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对强度有关。

采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍,另外一种等同的说法是奈奎斯特定律必须大于被采样信号的带宽。如果信号的带宽是100Hz,那么为了避免混叠现象采样频率必须大于200Hz。换句话说就是采样频率必须至少是信号中最大频率分量频率的两倍,否则就不能从信号采样中恢复原始信号。

示波器的带宽与采样率是什么关系

带宽是反映信号频率通过能力,带宽越大,对信号中的各种频率成分(特别是高频成分)能准确有效地放大与显示,也就较为准确,如果带宽不够,那就会损失很多高频成分,信号自然就显示不准确了,出现较大误差。 而采样率是将模拟量转换为数字量时对信号转换的频率(即每秒采集次数),这个频率越高,单位时间内对信号的采集就越多,信号中的信息就保留越多,丢失信息就少,转换出的数字量就能准确反映信号的数值,再由LCD显示就能较为准确完整显示信号波形,采样点越多,显示的点就越多,就越清晰。

对数字式示波器至少有两部分: 被测信号的Y通道和采样部分。 Y通道是放大(或衰减)被测信号的,带宽是针对Y通道而言。 假如Y通道能对0~10MHz范围所有正弦信号均匀而不失真的放大,则它的带宽就是10MHz。 由于复杂波形的信号由各种不同谐波的正弦信号组成,而且这些谐波构成的带宽可能很宽,所以,为了保证真实放大复杂信号,你的Y通道的带宽越大越好。

仅有带宽足够的Y通道还不够,为了捕获波形,你还得对经过Y通道放大的信号进行采样啊! 这个采样的快慢就是采样速率。 采样速率越快,单位时间内对复杂波形捕获的点也就越多,最后拼装显示出来的波形就越接近真实的复杂信号。

所以,带宽和采样速率虽然是两个不同的参数,但它们都对真实还原被测波形都非常重要。

 

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