取樣示波器和實時示波器的原理與各自優勢

今天下班的時候，小夥伴突然問我什麼是實時示波器，什麼是取樣示波器，有什麼區別，各自都有什麼優勢。我想大家雖然都經常用示波器，可能也不會太關注我們使用的是實時示波器還是取樣示波器。下面我就從實時示波器和取樣示波器的原理、兩種示波器的優劣、選擇兩種示波器時應注意的問題來說一下實時示波器和取樣示波器的區別。

1. 實時示波器

1.1 模擬示波器

購買過或者關注過示波器價格的人聽到實時示波器的時候，第一反應可能是這個示波器價格挺高，取樣速率很快。其實當年我們使用的模擬示波器就是實時示波器。模擬示波器一般採用陰極射線管的CRT螢幕，模擬示波器內部產生週期訊號控制熒光屏電子槍的水平偏轉，輸入訊號經過放大之後，控制熒光屏電子槍的垂直方向偏轉，這樣就在CRT螢幕上形成了被測訊號幅度隨時間變化的波形。為了保證訊號在電子屏上穩定的顯示，還需要讓電子屏水平掃面週期和被測訊號週期同步，所以模擬示波器中一般還帶有相應的觸發電路。從模擬示波器的原理可以看出，當訊號輸入之後，就可以控制電子槍垂直偏轉從而在示波器螢幕上實時顯示，是當之無愧的實時示波器哦。

       模擬示波器這麼實時，原理簡單，價格又便宜，為什麼大家現在很少用了呢？很多人可能會說，現在是數字時代，一切都要數字化。這也有一定的道理，從技術上看，細心的同學可能會發現被測訊號要經過放大然後控制電子槍垂直偏轉，放大器的頻寬是制約模擬示波器頻寬的一個重要因素。即便隨著技術的不斷髮展，放大器的頻寬已經可以做到上GHZ，但是我們不要忽略CRT電子槍的偏轉速度也不是很高，這可能是當下制約模擬示波器頻寬的最主要原因（數字實時示波器採用CRT顯示或者液晶顯示重新整理速度不夠時，也會影響其效能，當然不是頻寬），現在模擬示波器很少有頻寬大於500Mhz的。同時模擬示波器缺乏儲存能力，不能對資料進行分析；同時由於其實時性太好，對於突發訊號和單次訊號的捕捉能力較差。

1.2 數字實時示波器（Digital Storage Oscilloscope）

      現在大家說的數字實時示波器，一般是指數字儲存示波器。大家可以關注一下自己的示波器上有沒有寫Digital Storage Oscilloscope。數字儲存示波器和模擬示波器電路類似，分為水平控制部分和垂直控制部分，比模擬示波器多了顯示處理部分。垂直控制部分包括訊號前置預處理電路（放大或者衰減）、垂直方向預放大電路、ADC、儲存單元、資料處理部分；水平控制部分包括衰減和放大電路、觸發比較電路、延遲電路以及取樣控制電路；顯示處理部分主要將取樣資料經過處理後輸出到顯示器上。具體原理圖如下：

     數字儲存示波器在一個觸發訊號到來之後，以一個特定的速率迅速採集觸發訊號之後的波形，如下圖所示。

     數字儲存示波器的優勢在於其高速ADC對資料進行取樣並儲存，與後端的處理和顯示隔離開來，使得示波器的頻寬不會受到後端處理速度和顯示速度的影響。可以從硬體頻寬、取樣速率以及儲存深度三個方面來考慮實時示波器的效能。硬體頻寬主要決定示波器對不同頻率訊號的通過能力，如果將示波器的測量與採集看成一個2埠網路，其實硬體頻寬可以看成是傳輸損耗，也即S21。取樣速率也會影響示波器的頻寬，根據奈奎斯特定律可以知道，要想重建波形，取樣速率必須不小於2倍訊號頻率。不過隨著欠取樣技術的發展，有時候重建波形的取樣速率也會小於訊號頻率的2倍。

     說到儲存深度，我們先來說一下死區時間。由於數字儲存示波器一般取樣速率極高，迅速會將儲存器填滿，這時由於後端的資料處理和顯示部分比較慢，就要停止對訊號的取樣，待資料處理和顯示部分將資料處理完之後，再進行下一次採集，這樣中間就會間隔一段時間，這段時間就是死區時間。死區時間過長會導致大量的測量資料遺漏。較大的儲存深度可以減少死區時間，減少測量資料的遺漏。

    數字儲存示波器需要高速ADC和高速儲存單元，而且高速數字設計難度也較大，所以一般價格較高。

2. 取樣示波器

     取樣示波器的全名為等效時間取樣示波器，主要針對週期訊號測量設計。與實時示波器不同，取樣示波器在每次觸發訊號到來時只對資料取樣一次，下次觸發時，在觸發訊號後新增一個很小的延遲對訊號再進行取樣，直到取樣到一個完整的週期波形。所以取樣示波器在取樣時，必須有一個觸發事件。具體如下圖：

總結：

實時示波器有點主要在於：（1）：可以顯示單次瞬態事件；（2）：不需要週期的波形；（3）：可以直接測量週期-週期抖動；

取樣示波器優點在於：（1）：不需要高速ADC，可以採用高精度ADC，提高電平解析度；（2）：抖動和本地噪聲較低；（3）：可以測量TDR；（4）：成本較低