面对1GHz示波器，我们该如何选择？

我们选择示波器时，总绕不开两个核心参数“带宽和采样率”。带宽决定了我们能“看到”多高的频率，而采样率则决定了我们如何“看清”这个信号的细节。

对于一台1GHz带宽的示波器，很多人会下意识地认为，采样率至少需要5GSa/s、10GSa/s甚至更高最好。

但真相是，对于一台1GHz带宽的示波器，2.5 GSa/s的采样率可能就已经足够了。

这个结论听起来可能有些反直觉，今天我们就从奈奎斯特采样定理和示波器的实际波形重建技术两个角度，深入探讨一下这背后的原理。

01基础理论推导 

根据奈奎斯特采样定理，要无混叠地重建一个信号，采样频率必须大于信号最高频率的2倍。

但实际需求更为复杂，示波器的频率响应特性（高斯频响和最大平坦频响）决定了最小采样率的合理值。

1最大平坦频响

这类示波器的频响曲线更陡峭，在带宽之外衰减更快。为了有效重建信号，其采样率建议为带宽的2.5倍

因此，对于1GHz带宽的示波器，2.5 GSa/s 可视为理论上的下限值。

2高斯频响

这类示波器的频响曲线衰减更平缓，需要更高的采样率来避免混叠，通常建议为带宽的4到5倍，即1 GHz带宽至少需要4 GSa/s的采样率。

因此，在讨论采样率是否“足够”时，首先需要明确你使用的示波器频响特性。近年来，中高端示波器大都采用了最大平坦频响设计，这使得用相对较低的采样率能够实现更高精度的测量。

02低频采样也可实现高质量测量

理论上的最低采样率虽然保证了信号不混叠，但要在屏幕上显示一条光滑、连续的波形，仅靠2.5 GSa/s的原始采样点是远远不够的。

现在很多数字示波器支持 sin(x)/x 插值数字重建滤波器，可以将2.5 GSa/s的有效采样率提升至50 GSa/s。

目的是可以根据奈奎斯特定理，在真实的采样点之间进行数学插值，计算出大量的附加点。通过sin(x)/x滤波，示波器可以将原始的2.5 GSa/s采样数据，重建出等效于50 GSa/s甚至更高采样率的波形细节。

这就意味着，最终在屏幕上看到的是一条高分辨率、连续光滑的波形，而不是稀疏的点。

所以，我们真正需要关心的，是经过数字重建后的有效采样率，而不仅仅是硬件ADC的原始采样率。只要示波器的重建算法足够强大，较低的原始采样率同样能呈现出高质量的波形。

03实测2.5 GSa/s采样率 vs 更高采样率

实际应用中，需考虑“够用即可”的原则。对于1GHz带宽示波器，采样率达到2.5~5GSa/s通常已能满足绝大多数应用需求。过高的采样率只会增加数据存储和处理的负担，而不会带来明显的测量精度提升。

下面实测在1GHz带宽下，使用2.5 GSa/s和5 GSa/s采样率测量快速上升沿信号的区别。

在2.5 GSa/s采样率下，配合sin(x)/x重建，波形显示清晰连续，上升时间测量结果准确可靠。

在5 GSa/s采样率下，波形细节并没有带来肉眼可见的显著提升，上升时间测量结果的精度改善也在误差范围之内。

测试表明，在1GHz带宽的约束下，单纯追求远超2.5倍关系的采样率，其带来的边际效益非常有限。更高的采样率意味着每秒产生更多的数据，这会更快地消耗示波器的存储深度，并可能增加数据处理的时间，在某些情况下反而会影响波形捕获率。对于由多个ADC拼接实现的高采样率，还可能因为校准偏差引入失真。

05选型建议与自查清单

那么，面对1GHz示波器，我们该如何选择？以下是基于不同场景的选型建议。

选型自查清单：

（1）示波器的频响

最大平坦频率响应示波器可比高斯频率响应示波器使用更低的采样率。

（2）重建滤波技术

利用sin(x)/x数字滤波技术提高有效采样率，而非单纯追求硬件采样率。另外也可关注重建是硬件实现还是软件实现？硬件实现能保证在高波形刷新率下依然提供流畅的重建波形。

（3）系统带宽

使用的探头带宽是否与示波器匹配？一个100MHz的探头会将1GHz示波器的系统带宽限制在70MHz左右。

（4）存储深度与采样率平衡

存储深度 = 采样率 × 观测时间，取决于想要的观测时间。

（5）实际测试验证

如果条件允许，用测试需求中真实的信号去验证示波器。将波形放大，检查关键位置是否有足够的采样点，测量结果是否稳定可靠。

最后，对于1GHz示波器，盲目追求极高的采样率可能是一种资源浪费。理解示波器的频响特性，凭借现在示波器高级算法，将注意力更多地放在系统带宽、波形刷新率等同样至关重要的参数上，才能帮你做出更好的选择。