【安泰示波器维修】如何解决数字示波器的测量问题？

图4：如果采样率是信号频率的倍数，那么每个周期的采样点都在(或靠近)相同的相位点，因而显示出来的图形看起来像是调制过的一样。

对这个399.9MHz正弦波的采样速率是1GS/s，信号频率逐渐增加，直到发生错误调制。左波形C1是完整采集的波形，看起来像是经过了调制。“调制”频率约为500kHz(周期为2μs)。然而它并不是真正的幅度调制。左边从上往下数第二个波形Z1是水平放大了的曲线，有一个历史显示内容覆盖在上面。这次采集使用了线性插值。黄色的放大波形显示的是单个周期的被采集波形。注意，采样位置用点加以标记。每个周期有2个样本(两个输入信号周期内有5个样本)。放大位置被显示为采集曲线上的高亮区域。

存留曲线显示了多次采集的历史，我们可以看到随着时间的推移，采样点连起来就是一条平滑的正弦波。没有足够的采样点“绘出”完整的波形形状，现有样本基本上是锁相的，因此在相邻周期内会重复相同的相位点。样本缓慢地沿采集的波形移动，最终填满显示器，正如存留历史中见到的那样。这样，采集的波形是正确的，但显示波形看起来像是调制过的，因为每个周期的样本数有限，而且在输入信号和采样时钟之间几乎是锁相状态。

左边从上往下数第三条曲线是输入信号的FFT结果，中心频率是399.9MHz，缩放因子是1MHz/格。注意在载波两侧都没有500kHz的调制边带。这就表明其并不是幅度调制。

通过提高每个周期的样本数可以改善显示效果。一种方法是改变显示插值器。图4中的波形使用了线性插值器。Sine(x)/x和线性插值是将波形上采集的采样点连接在一起的两种方法。若信号是一种频带受限的波形(也就是说，如果波形中没有频率分量超过奈奎斯特频率—采样率的一半)，那么应用Sine(x)/x插值和高质量算法可以精确地重建频率是0.25至0.4倍采样率的波形形状和幅度。在我们这个例子中，输入频率是1GS/s采样率的0.399倍。图4右边最上面的曲线C2是使用Sin(x)/x插值采集的相同信号，它表明Sin(x)/x插值器能改善但不能校正显示效果。

右边从上往下数第二个波形是使用了Sin(x)/x插值器的相同输入信号的放大图。从波形可以看出，交替周期有不同的峰峰幅度。这种插值器很麻烦，因为每个周期的样本数很少。示波器提供用户可配置的插值函数作为其数学函数的一部分。图中的对话框显示了对曲线C1操作的这个插值函数的设置，曲线C1是用线性插值采集的。插值函数的输出显示在右边从上往下数第三格。再下面是这条曲线的放大图。注意“更强大的”插值器函数消除了上述问题。通过提高采样率并在采集的波形上得到足够的样本数来填充整个波形也可以改善显示效果。正如我们在前面见过的那样， 对于每格的给定时间，可以通过增加采集内存的容量来提高采样率。再次重申一下，这种“调制”效应不是错误。所有示波器的测量函数都会反映正确的幅度， 因为就像存留显示信息一样它们基于的是统计方法。不过这仍然很容易造成人们困惑。

吉布斯耳朵：如何学会不去相信插值器

Sin(x)/x插值法非常适合正弦波。遗憾的是，我们遇到的许多信号事实上是数字信号，看起来像是矩形脉冲。如果信号具有“快速变化的”边沿，边沿上几乎没有样本，那么Sin(x)/x插值器就可能造成问题，如图5所示，该图把示波器的插值器响应比作是具有快速边沿的矩形脉冲。上面的轨迹曲线是线性插值器的响应，下面是同一信号在水平方向的放大图。从上往下数第三个轨迹线是Sin(x)/x插值器的响应，下方是放大了的信号。

图5：将线性插值器和Sin(x)/x插值器的响应比作矩形脉冲上的快速边沿揭示了测量具有快速边沿的信号时存在的问题。

线性插值器将样本和一条直线连接在一起。即使边沿只有一个样本，波形上也没有明显的前冲或过冲迹象。Sin(x)/x插值器无法在边沿安插样本以改善有明显过冲和不太明显前冲的波形。这些现象被称为吉布斯的耳朵，可能促使人们为了保证信号完整性而去寻找不存在过冲的根源。如果你观察到脉冲波形上的前冲或过冲，应该将显示插值器改为线性插值器，看这些现象是否会消失。

总之，最好是对脉冲类型的波形使用线性插值器，它能防止出现这种情况，而将Sin(x)/x插值器留给正弦信号。如果波形边沿有较多的样本，你就可以最大程度地减轻这类问题。保持高的采样率有助于防止出现吉布斯耳朵。

小结

只要小心处理这些潜在的错误源，就不会被这些问题所累。遵循以下操作指南养成好习惯：

尽量使采样率达到实际可行的最高值；

在分析不熟悉的信号时，先用最小的时间/格控制设置，确保最高的采样率，然后增加时间/格的值，同时观察信号何时开始出现混叠现象；

如果波形出现意外的调制现象，水平放大波形可以显示采样位置。将显示器设为在存留功能打开的情况下观察波形曲线，并覆盖在最后的曲线上( 如图4所示)。如果显示的样本不重叠，那么在存留显示屏上会显示峰和谷，它们不会随着周期的改变而改变位置，这意味着你可能在同步于信号频率的条件下进行采样；

如果你使用Sin(x)/x插值法观察到脉冲类波形上存在前冲和过冲现象，那就用线性插值法试试看这些现象是否会消失。本文转载于西安安泰仪器维修中心网，欢迎留言探讨。