為什么示波器波形放大之后會有鋸齒？

常用示波器的工程師都會發現一個現象，當示波器停止采樣時，將原來的波形垂直放大后會存在鋸齒狀，這是什么原因呢？這里跟跟大家一起剖析一下。

一、臺階波形

本文以ZDS4054Plus示波器為測試工具，圖 1 如所示波形是在 200mv/div 檔位下采樣的，波形相對平穩。停止采樣后，如果將垂直檔位調至 50mv/div，則波形出呈現嚴重的鋸齒狀，如圖 2 所示。為此很多人感到疑惑，為什么會出現這種現象？

圖1 原信號波形

圖2 放大后波形

二、原因闡述

1、運行狀態下

當示波器處于【Run】時，示波器模擬前端會根據不同的垂直檔位，始終會將信號的幅度調理到 ADC合適的范圍內，再進行量化，所以運行狀態下的波形放大，不會存在鋸齒現象。

· 在 200mv/div 的檔位下，垂直分辨率（25 LSB/div）為 8mv

· 在 50mv/div 的檔位下，垂直分辨率（25 LSB/div）為 2mv

垂直檔位越小，分辨率越高，則采集到的波形測量精度就越高，這個就是推薦波形盡量鋪滿格子的原因。

2、停止狀態下

在停止狀態下波形不進行采集，也就是停止狀態無論垂直檔位怎么變化，仍然會保持停止時（200mv/div）的垂直精度 8mv，所以當把波形的垂直方向放大 4 倍時（50mv/div），那么采樣點與采樣點之間的垂直距離就會變大，當然這僅僅只是進行數字化放大，示波器此時會進行插值保持，插值保持下波形會以階梯的形式連接，這也是產生鋸齒的原因。

圖3 插值保持

三、理解誤區：插值保持與插值算法有關么？

前面我們提到了插值保持，那么有的工程師可能就會想到，會不會是由于插值算法的原因導致了波形放大后出現了鋸齒狀呢？畢竟線性插值是以點的方式連接，出現鋸齒狀也很正常。答案是否定的，下面從原理層來分析一下。

首先解釋一下何謂插值算法，對于很多示波器都會有不同的插值模式，常見的分為正弦插值和線性插值，在實際使用過程中，如果示波器ADC的采樣率不足以恢復真實信號，我們需選擇不同的插值方式進行測試分析：

1、正弦插值

正弦內插是示波器默認的插值方式，也是最常用的插值方式。通過正弦內插的方式，能夠比較準確和平滑地還原真實波形信號。利用曲線來連接樣點，通用性更強。這種方法彎曲信號波形，使之產生比純方波和脈沖更為現實的普通波形。如圖4所示為采樣正弦插值的方式，觀察到的放大后的波形。

圖4 正弦插值

2、線性插值

線性內插是最簡單的插值方式，計算量最小。在ADC的相鄰采樣數據點之間按照線性多項式的計算方式插入一個計算值，插入的這個點為相鄰兩個采樣點連線上的值。如下圖5所示位采用線性內插方式測試波形，是通過點與點之間的直接連接形成的波形，細節上能夠看到類似于鋸齒波的形狀，這種插值方式局限于直邊緣的信號。

圖5 線性插值

通過這兩種插值方式對比，大家會發現正弦內插利用曲線連接采樣點，線性內插通過點與點之間的連接形成波形，大家可能會傾向于線性插值的原因形成了放大之后的鋸齒狀。需要注意的是：插值算法是在ADC采樣時進行的，當采樣停止后，示波器才會進行插值保持，插值保持下采樣點之間會以階梯的形式連接，因此示波器停止下的放大只是單純的數字化放大，是示波器插值保持的結果，這與使用何種插值算法完全無關。

四、總結

因此無論前面采用的是何種插值方式，采樣停止后放大的波形都會以鋸齒狀呈現出來，這是插值保持的原因，也是完全正常的。因此，我們在觀測波形的時候一定要讓波形盡量鋪滿整個屏幕，如果波形出現了鋸齒，也要清楚鋸齒的原因來自于哪里。