金年会金字招牌诚信至上_淺談示波器的存儲深度 - 91手機維修論壇

得益于電子技術(shù)的發(fā)展，在國外三巨頭壟斷的示波器領(lǐng)域，國產(chǎn)示波器也如雨后春筍般涌現出來(lái)，優(yōu)秀國產(chǎn)示波器的代表：鼎陽(yáng)（siglent）科技和北京普源精電，如今得到了長(cháng)足的發(fā)展，但由于信號傳輸的鏈路瓶頸以及IC封鎖，夾縫中生長(cháng)的國產(chǎn)示波器注定暫時(shí)只能走低端路線(xiàn)，這導致了國產(chǎn)示波器同質(zhì)化比較嚴重、各廠(chǎng)家生產(chǎn)的示波器性能跟質(zhì)量參差不齊。放眼望去，外觀(guān)乃至界面各廠(chǎng)商都一致地采用所謂的“主流”操作方式，而作為衡量示波器的技術(shù)指標，工程師更多地考慮那些出現在產(chǎn)品手冊和雜志廣告的標題中列出的技術(shù)指標，在這些主要的技術(shù)指標中，眾所周知的是帶寬、采樣率和存儲深度。

誠然帶寬指標理所當然非常重要。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著(zhù)信號頻率的增加，示波器對信號的準確顯示能力將下降。如果沒(méi)有足夠的帶寬，示波器將無(wú)法分辨高頻變化。幅度將出現失真，邊緣將會(huì )消失，細節數據將被丟失。如果沒(méi)有足夠的帶寬，得到的關(guān)于信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無(wú)意義。本規格指出示波器所能準確測量的頻率范圍。每位工程師都足夠重視帶寬對測量的影響，所以大家都遵循測量的五倍法則：示波器所需帶寬=被測信號的最高信號頻率*5，使用五倍準則選定的示波器的測量誤差將不會(huì )超過(guò)＋/－2%，對大多的操作來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。

關(guān)于采樣率，指數字示波器對信號采樣的頻率，類(lèi)似于電影攝影機中的幀的概念。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丟失的概率就越小，信號重建時(shí)也就越真實(shí)。采樣率又分為實(shí)時(shí)采樣率跟等效采樣率，我們平常所說(shuō)的采樣率是指實(shí)時(shí)采樣率，這是因為實(shí)時(shí)采樣率可以用來(lái)實(shí)時(shí)地捕獲非周期異常信號，而等效采樣率則只能用于采集周期性的穩定信號。

存儲深度雖然也作為重要指標之一，但在衡量示波器時(shí)候卻往往忽略它的重要性，一直以來(lái)都把它作為一個(gè)“次要”指標看待，并不是很清楚大的存儲深度對于測量有什么影響，再加上有些示波器廠(chǎng)家對“存儲深度”的誤導，同時(shí)存儲深度跟采樣率的隱藏關(guān)聯(lián)關(guān)系，導致存儲深度處于一個(gè)形同虛設的指標，為了糾正這些誤解，下面跟大家一起探討什么是存儲深度？大的存儲深度對測量有什么影響？

存儲深度是示波器所能存儲的采樣點(diǎn)多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個(gè)脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)間長(cháng)度除以精確重現信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱(chēng)記錄長(cháng)度。并不是有些國內二流廠(chǎng)商對外宣稱(chēng)的“存儲深度是指波形錄制時(shí)所能錄制的波形最長(cháng)記錄“，這樣的偷換概念，完全向相反方向引導人們的理解，難怪乎其技術(shù)指標高達”1042K“的記錄長(cháng)度。這就是為什么他們不說(shuō)存儲深度是在高速采樣下，一次實(shí)時(shí)采集波形所能存儲的波形點(diǎn)數。

把經(jīng)過(guò)A/D數字化后的八位二進(jìn)制波形信息存儲到示波器的高速CMOS內存中，就是示波器的存儲，這個(gè)過(guò)程是“寫(xiě)過(guò)程”。內存的容量（存儲深度）是很重要的。對于DSO，其最大存儲深度是一定的，但是在實(shí)際測試中所使用的存儲長(cháng)度卻是可變的。

在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時(shí)間就越短，他們之間是一個(gè)反比關(guān)系。同時(shí)采樣率跟時(shí)基（timebase）是一個(gè)聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，也就是調節時(shí)基檔位越小采樣率越高。存儲速度等效于采樣率，存儲時(shí)間等效于采樣時(shí)間，采樣時(shí)間由示波器的顯示窗口所代表的時(shí)間決定，所以：

由于DSO的水平刻度分為12格，每格的所代表的時(shí)間長(cháng)度即為時(shí)基（timebase）,單位是s/div,所以采樣時(shí)間＝ timebase × 12. 由存儲關(guān)系式知道：提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率，當要測量較長(cháng)時(shí)間的波形時(shí)，由于存儲深度是固定的，所以只能降低采樣率來(lái)達到，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲深度，則可以以更高的采樣率來(lái)測量，以獲取不失真的波形。

下圖曲線(xiàn)揭示了采樣率、存儲深度、采樣時(shí)間三者的關(guān)系及存儲深度對示波器實(shí)際采樣率的影響。比如，當時(shí)基選擇10us/div檔位時(shí)，整個(gè)示波器窗口的采樣時(shí)間是10us/div * 12格=120us，在1Mpts的存儲深度下，當前的實(shí)際采樣率為：1M÷120us︽8.3GS/s，如果存儲深度只有250K，那當前的實(shí)際采樣率就只要2.0GS/s了！

明白了存儲深度與取樣速度密切關(guān)系后，我們來(lái)淺談下長(cháng)存儲對于我們平常的測量帶來(lái)什么的影響呢？平常分析一個(gè)十分穩定的正弦信號，只需要500點(diǎn)的記錄長(cháng)度；但如果要解析一個(gè)復雜的數字數據流，則需要有上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的存儲深度，這是普通存儲是做不到的，這時(shí)候就需要我們選擇長(cháng)存儲模式�？上驳氖乾F在國產(chǎn)示波已經(jīng)具有這樣的選擇，比如鼎陽(yáng)（Siglent）公司推出的SDS1000CML系列示波器高達2M的存儲深度，是目前國產(chǎn)示波器最大的存儲深度示波器，打破了只有高端示波器才可能具有大的存儲深度的功能。通過(guò)選擇長(cháng)存儲模式，以便對一些操作中的細節進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)配備1G實(shí)時(shí)采樣率以及高刷新率，完美再現捕獲波形。

長(cháng)存儲對平常的測量中，影響最明顯的是在表頭含有快速變化的數據鏈和功率測量中。這是由于功率電子的頻率相對較低（大部分小于1MHz），這對于我們選擇示波器帶寬來(lái)說(shuō)300MHz的示波器帶寬相對于幾百KHz的電源開(kāi)關(guān)頻率來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，但很多時(shí)候我們卻忽略了對采樣率和存儲深度的選擇.比如說(shuō)在常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源的測試中，電壓開(kāi)關(guān)的頻率一般在200KHz或者更快，由于開(kāi)關(guān)信號中經(jīng)常存在著(zhù)工頻調制，工程師需要捕獲工頻信號的四分之一周期或者半周期，甚至是多個(gè)周期。開(kāi)關(guān)信號的上升時(shí)間約為100ns，我們建議為保證精確的重建波形需要在信號的上升沿上有5個(gè)以上的采樣點(diǎn)，即采樣率至少為5/100ns=50MS/s，也就是兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔要小于100/5=20ns，對于至少捕獲一個(gè)工頻周期的要求，意味著(zhù)我們需要捕獲一段20ms長(cháng)的波形，這樣我們可以計算出來(lái)示波器每通道所需的存儲深度=20ms/20ns=1Mpts ！這就是為什么我們需要大的存儲深度的原因了！如果此時(shí)存儲深度達不到1 Mpts，只有普通示波器的幾K呢？那么要么我們無(wú)法觀(guān)測如此長(cháng)周期信號，要么就是觀(guān)測如此長(cháng)周期信號時(shí)只能以低采樣率進(jìn)行采樣，結果波形重建的時(shí)候根本無(wú)法詳細顯示開(kāi)關(guān)頻率的波形情況。

長(cháng)存儲模式下，既保證了采樣在高速率下對信號進(jìn)行采樣，又能保證記錄長(cháng)時(shí)間的信號。如果此時(shí)只進(jìn)行單次捕捉或停止采集，那么在不同時(shí)基下擴展波形時(shí)由于數據點(diǎn)充分，可以很好觀(guān)測疊加在信號上面的小毛刺等異常信號，這對于工程師發(fā)現問(wèn)題、調測設備帶來(lái)極大的便利。而如果是普通存儲，為了保持高的采樣率，則在長(cháng)的記錄時(shí)間內，由于示波器的連續采樣，則內存中已經(jīng)記錄了幾幀數據，內存中的數據并不是一次采集獲得的數據，此時(shí)如果停止采集，并對波形旋轉時(shí)基進(jìn)行放大顯示，則只能達到有限的幾個(gè)檔位，無(wú)法實(shí)現全掃描范圍的觀(guān)察。

在DSO中，通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）可以得到信號的頻譜，進(jìn)而在頻域對一個(gè)信號進(jìn)行分析。如電源諧波的測量需要用FFT來(lái)觀(guān)察頻譜，在高速串行數據的測量中也經(jīng)常用FFT來(lái)分析導致系統失效的噪聲和干擾。對于FFT運算來(lái)說(shuō)，示波器可用的采集內存的總量將決定可以觀(guān)察信號成分的最大范圍（奈奎斯特頻率），同時(shí)存儲深度也決定了頻率分辨率△f。如果奈奎斯特頻率為500 MHz，分辨率為10 kHz，考慮一下確定觀(guān)察窗的長(cháng)度和采集緩沖區的大小。若要獲得10kHz 的分辨率，則采集時(shí)間至少為： T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms，對于具有100kB 存儲器的數字示波器，可以分析的最高頻率為：

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