取樣率

近年來示波器已進入了數位的時代，所有類型的數位示波器都具備了一個很重要的規格－－取樣率。取樣率的快慢取決於A/D轉換器的速度，也決定了波形還原及重建的能力。

取樣率的重要性

實際情況瞬息萬變。示波器也需要具備足夠的技術，才能擷取即時的動態訊號。

瞬間的事件僅會發生一次，因此，必須在事件發生的相同時間範圍中取樣。如果示波器的取樣率不夠快，高頻率的成份可能就會「跌落」至低頻率，造成顯示器中的假象。

數位儲存示波器對取樣輸入訊號的速度愈快，在顯示的波形中呈現的解析度和細節就越完整。Nyquist的取樣理論認為，波形取樣速率至少必須是測試訊號預期最高頻率的兩倍率。然而，此理論只適用於正弦波訊號。面對今日複雜的波形，無疑地需要高於2倍取樣率的倍數，才能精確地擷取變化或單擊波波形。

綜觀市面上所有示波器的取樣方式，不外乎等時取樣和即時取樣二種方式，接下來便開始討論這二種方式的動作原理及其限制。

數位即時（DRT）取樣技術

身為工程師或技術人員，必須保證能準確地擷取訊號的詳細資料。如果因為示波器的取樣率不夠快，導致暫態訊號的詳細資料遺失，則會造成量測錯誤。數位即時示波器能即時擷取訊號，在單一擷取程序週期中，擷取足夠訊號取樣點，準確重建波形。

《圖一　數位即時（DRT）取樣技術》

等時（ET）取樣技術的限制

如果使用的數位相機需要拍攝許多相片，才能產生清楚組成一張的影像，大部份的人可能會覺得無法接受。同樣的道理，數位儲存示波器最好也能取得快照，在單一擷取程序週期中精確地重製非重覆性或單擊波。

許多傳統的數位儲存示波器（DSO）長久以來有個限制，就是在擷取非重覆波形及單擊波形時，無法處理已標示的頻寬。此限制源於等時（ET）取樣結構，其需要多個擷取週期以顯示有意義的波形。等時取樣技術在對重覆波形沒什麼問題，但要重建非重覆性或單擊波形時往往達不到標準。

《圖二　等待取樣示波器是藉從一系列擷取週期中捕捉一部份的資訊，來建構重複訊號的圖形》

等時（ET）取樣

數位即時（DRT）取樣

定義

此取樣技術中，自相同重覆波形擷取一系列樣本，以建立一個代表性波形。

此取樣技術中，從數位化系統的一個訊號週期，擷取所有樣本，並在事件發生的相同時間範圍內，擷取並顯示事件。

特性

允許示波器精確地擷取頻率高於示波器取樣率的信號。

然而，輸入的訊號必須重覆要求多個觸發事件，這往往造成在非重覆性或單擊波中遺失訊號資訊。

《表一　數位即時與等時取樣技術的比較》

大部份等時取樣的DSO實際頻寬低於其所公佈類比或重覆訊號頻寬的三分之一。

如果使用到所公佈的頻寬，單擊波的顯示便會因數位假象而失真，或是因為超過示波器的有效即時頻寬而產生其他失真情形。

同時提供所有波道真正4倍到10倍的訊號超高取樣。

輸入的訊號不需要重覆。

在平均間隔的時間及單一觸發事件中取樣。

在每個訊號波形週期中完整取樣，提供詳細資料以精確重建訊號對於重覆及單擊訊號。

即時擷取符合示波器全類比頻寬。

至於要如何避免使用含有「等時取樣（ET）」技術的產品？當評估購買下一部數位儲存示波器時，請確定其指定的最大單擊取樣率至少是儀器所標示的頻寬4倍以上（最好10倍）。

《表二　》

相信到這裏，讀者對於取樣率已有一深入的了解，接下來舉三個實際訊號為例子，分別利用即時取樣技術與等時取樣技術來做實驗，以利讀者了解何者才能完整還原訊號全貌。

單擊波訊號

等時取樣對於單擊波形訊號的幫助很有限，因為單擊波訊號必須要在一個觸發事件中完整地取樣。

《圖三　單擊波訊號》

雙穩態（Meta-stable；非重覆性訊號）事件

由於等時取樣的波形是由連續擷取單一訊號的週期建構而成，其更新率相形之下較低。如果輸入訊號在擷取過程中調變或變更，等時取樣會在一段時間內將此短暫變更平均分配，因而呈現與真實事件不同的失真狀態。

《圖四　雙穩態事件》

多波道擷取（數位輸出：時脈及資料）

甚至在多波道擷取上，數位即時取樣技術都能保持相同等級的即時取樣率效能。等時產取樣所還原信號則很難顯示出時序的關係。

波形更新率

示波器所謂的波形更新率指的是擷取波形（畫面）的速度，在多年以前，工程師所面對的往往是單純而慢速的信號，所以這項目也就常被忽略掉了。但近年來由於電子領域的技術突飛猛進，電路變得更加複雜，待測信號變得更快速而捉摸不定，這時「波形更新率」就變得非常重要了。現在，就以我們的眼睛為例來說明此一項目，如(圖六)。

《圖五　多波道擷取》

除了1-4外都是睜開眼睛的時候，此時外界有任何變化都會被我們看到，也就是示波器擷取信號的時候，1-4為閉眼休息的時候，此時外界有任何變化都會被忽略。推論到示波器上這段時間便是所謂的處理時間（Hold time），此時待測信號若有任何變化也就被示波器所忽略掉了。所以，波形更新率愈快的示波器，處理時間（Hold off time）愈短；波形更新率愈慢的示波器，處理時間（Hold off time）愈長，遺失的波形愈多。

《圖六》

結論

取樣率的快慢，決定了波形是否能夠忠實的還原及重組。而波形更新率的快慢，決定了擷取異常偶發訊號的快慢。下一次從示波器螢幕上看到波形，千萬不要貿然相信這波形就是電路上的真正波形。（作者任職於Tektronix太克科技）

延 伸 閱 讀

雖然 PCI(Peripheral Component Interconnect) 已普及一段不算短的時間了，但是要找出匯流排上的信號完整性 (signal integrity) 問題依然可能讓專案受阻長達數月之久。相關介紹請見「利用MSO混合信號示波器偵測和排除PCI匯流排問題」一文。 全球測試、量測及監測儀器領導提供者 Tektronix 宣佈，開始供應 TPS2000 系列數位儲存示波器 (DSO) 。你可在「TPS2000具備隔離通道、8小時電池操作能力和數位即時技術」一文中得到進一步的介紹。 這系列產品具有高訊號解析度、特有的 Pinpoint 觸發功能，以及 4 通道的同步高解析度波形擷取功能，並且採取 IBM 0.18 μ m 矽鍺 (7HP SiGe) 技術的新差動探棒技術。在「Tektronix推出新型示波器具Pinpoint觸發及新矽鍺探棒技術」一文為你做了相關的評析。

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