为什么示波器波形放大之后会有锯齿?

2017-07-12 20:42:00 来源:EEFOCUS
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常用示波器的工程师都会发现一个现象,当示波器停止采样时,将原来的波形垂直放大后会存在锯齿状,这是什么原因呢?这里跟跟大家一起剖析一下。

一、台阶波形  
本文以ZDS4054Plus示波器为测试工具,图 1 如所示波形是在 200mv/div 档位下采样的,波形相对平稳。停止采样后,如果将垂直档位调至 50mv/div,则波形出呈现严重的锯齿状,如图 2 所示。为此很多人感到疑惑,为什么会出现这种现象?

 

 
图1 原信号波形

 


图2 放大后波形


二、原因阐述
1、运行状态下

当示波器处于【Run】时,示波器模拟前端会根据不同的垂直档位,始终会将信号的幅度调理到 ADC合适的范围内,再进行量化,所以运行状态下的波形放大,不会存在锯齿现象。

l在 200mv/div 的档位下,垂直分辨率(25 LSB/div)为 8mv

l在 50mv/div 的档位下,垂直分辨率(25 LSB/div)为 2mv

垂直档位越小,分辨率越高,则采集到的波形测量精度就越高,这个就是推荐波形尽量铺满格子的原因。

2、停止状态下
在停止状态下波形不进行采集,也就是停止状态无论垂直档位怎么变化,仍然会保持停止时(200mv/div)的垂直精度 8mv,所以当把波形的垂直方向放大 4 倍时(50mv/div),那么采样点与采样点之间的垂直距离就会变大,当然这仅仅只是进行数字化放大,示波器此时会进行插值保持,插值保持下波形会以阶梯的形式连接,这也是产生锯齿的原因。

 


图3 插值保持


三、理解误区:插值保持与插值算法有关么?
前面我们提到了插值保持,那么有的工程师可能就会想到,会不会是由于插值算法的原因导致了波形放大后出现了锯齿状呢?毕竟线性插值是以点的方式连接,出现锯齿状也很正常。答案是否定的,下面从原理层来分析一下。

首先解释一下何谓插值算法,对于很多示波器都会有不同的插值模式,常见的分为正弦插值和线性插值,在实际使用过程中,如果示波器ADC的采样率不足以恢复真实信号,我们需选择不同的插值方式进行测试分析:

1、正弦插值
正弦内插是示波器默认的插值方式,也是最常用的插值方式。通过正弦内插的方式,能够比较准确和平滑地还原真实波形信号。利用曲线来连接样点,通用性更强。这种方法弯曲信号波形,使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。如图4所示为采样正弦插值的方式,观察到的放大后的波形。

 


图4 正弦插值


3、线性插值
线性内插是最简单的插值方式,计算量最小。在ADC的相邻采样数据点之间按照线性多项式的计算方式插入一个计算值,插入的这个点为相邻两个采样点连线上的值。如下图5所示位采用线性内插方式测试波形,是通过点与点之间的直接连接形成的波形,细节上能够
    
看到类似于锯齿波的形状,这种插值方式局限于直边缘的信号。

 


图5 线性插值


通过这两种插值方式对比,大家会发现正弦内插利用曲线连接采样点,线性内插通过点与点之间的连接形成波形,大家可能会倾向于线性插值的原因形成了放大之后的锯齿状。需要注意的是:插值算法是在ADC采样时进行的,当采样停止后,示波器才会进行插值保持,插值保持下采样点之间会以阶梯的形式连接,因此示波器停止下的放大只是单纯的数字化放大,是示波器插值保持的结果,这与使用何种插值算法完全无关。

四、总结
因此无论前面采用的是何种插值方式,采样停止后放大的波形都会以锯齿状呈现出来,这是插值保持的原因,也是完全正常的。因此,我们在观测波形的时候一定要让波形尽量铺满整个屏幕,如果波形出现了锯齿,也要清楚锯齿的原因来自于哪里。

 
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