示波器交叉实时采样 评测示波器采样率与采样保真度的关系

当 ADC 技术已经在最大采样率方面达到限制时，示波器厂商如何制造出具有更高采样率的示波器？追求更高采样率或许只是想满足示波器用户对于“越高越好”的认知，或者用户认为若要获得更高的带宽实时示波器测量效果，实际上可能需要更高的采样率。但是，若使示波器具有更高的采样率，并非像选择具有更高采样率的现成模数转换器那样简单。

所有主要示波器厂商均采用一种常见的技术，即交叉多个实时 ADC。但是，请不要将此交叉采样的技术与重复采集技术相混淆，我们将后者称之为“等效时间”采样。

图 1 显示由两个 ADC 利用相位延迟采样技术构成的实时交叉 ADC 系统结构图。在本例中，ADC 2 一律对 ADC 1 采样之后的 ½ 时钟周期进行采样。在每个实时采集周期完成后，示波器的 CPU 或波形处理 ASIC 会对存储在每个 ADC 采集存储器中的数据进行检索，然后交叉样本以获得实时的数字化波形，且样本密度也会翻倍（是采样率的两倍）。

具有实时交叉采样特征的示波器必须遵守两个要求。一是，若要实现无失真的准确交叉，每个 ADC 的垂直增益、偏移和频率响应必须严格匹配。其二，必须对相位延迟时钟进行高精度的校准，以满足 Nyquist 规则二的要求，即等间隔采样。换句话说，ADC 2 的取样时钟必须在样品 ADC 1 之后精确地延迟 180 度。这两个条件对于准确交叉都非常重要。但是，为了对因交叉不良而导致的错误有更直观的理解，后文将重点分析仅因相位延迟定时不佳而导致的错误。

图 1：由两个交叉 ADC 构成的实时采样系统

图 2 中所示的定时图说明，如果两个交错的 ADC 相位延迟时钟系统彼此之间没有呈现精确的 ½ 采样周期延迟，则交错采样会出现定时误差。此图显示了实时数字化的点（红点）相对于输入信号进行实际转换的位置。但是，由于对相位延迟定时校准不理想（紫色波形），这些数字化的点没有进行等间隔采样，因此也就违背了 Nyquist 的第二条规则。

当示波器的波形处理引擎对每个 ADC 采集存储器所存储的数据进行检索时，首先会假设每个存储设备中的采样数据为等间隔采样。当您尝试着对初始输入信号的形状进行重建时，示波器 Sin（x）/x 重建滤波器所表示的信号将出现严重失真（如图 3 所示）。

由于输入信号与示波器取样时钟之间的相位关系是随机的，当您查看重复采集时，实时采集失真（有时称为“采样噪声”）可能会被误释为随机噪声。但该相位关系也不完全是随机的，也具有一定的确定性，且与示波器的取样时钟直接相关。

图 2：非等间隔采样的定时图


图 3：该定时图显示了因相位延迟定时不佳而造成失真的波形，使用 Sin(x)/x 滤波器对其进行重建