數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中內(nèi)存是如何影響數(shù)字化儀器的性能

數(shù)字化儀和示波器最重要的規(guī)格是帶寬和采樣率。采集內(nèi)存長度不是首要規(guī)格，但它確實會極大地影響帶寬和采樣率。

數(shù)字化儀器(包括數(shù)字化儀和示波器)捕獲數(shù)據(jù)并將其存儲在儀器的采集存儲器中。該存儲器位于儀器數(shù)字化儀的后面，以數(shù)字化速率運行。采集存儲器的大小會影響儀器的采樣率、最大記錄長度和處理速度。設(shè)置存儲器的大小代表了始終存在的工程權(quán)衡之一。

從最基本的開始，示波器或數(shù)字化儀的最大采樣率必須大于儀器模擬帶寬的 2 倍。這是適用于所有數(shù)字化儀器的奈奎斯特準(zhǔn)則的陳述。由于前端頻率響應(yīng)通常具有有限的衰減，因此采樣率設(shè)置為高于標(biāo)稱帶寬的兩倍，以最大限度地減少這些潛在帶外信號的混疊。通常，數(shù)字化儀使用的最小采樣率與帶寬比至少為 2.5:1。

采集記錄長度，即采集信號的持續(xù)時間，與使用的采集存儲器的長度成正比，可以用下式表示：

T rec = N * t S = N/f S

其中：

T rec 是采集信號的時間持續(xù)時間，以秒(s)為單位，

N是采集內(nèi)存的長度，以樣本數(shù)(S)為單位，

t S 是采樣周期，以每樣本秒數(shù)(s/S)為單位，

f S 是采樣率，即采樣周期的倒數(shù)，以每秒樣本數(shù)(S/s)為單位。

采集持續(xù)時間等于內(nèi)存樣本或點數(shù)乘以采樣周期或除以采樣率。

大多數(shù)示波器的采集內(nèi)存以 1、2、2.5 和 5 的倍數(shù)塊提供;這些設(shè)置與互補的可用采樣率相結(jié)合，可產(chǎn)生 1、2 和 5 的倍數(shù)的每格時間設(shè)置。目的是通過計算格線分度并將其乘以易于計算的因子，輕松地從屏幕上讀取時間測量值。

隨著示波器每格時間設(shè)置的增加，采集時間也隨之增加，因此需要添加更多內(nèi)存，采集和持續(xù)時間也會成比例增加。當(dāng)內(nèi)存長度達(dá)到其最大限制時，增加記錄長度的唯一方法是降低采樣率。

對于最大采樣率為 10 GS/s 的設(shè)備，增加每格時間設(shè)置可使采樣率保持最大值，直到達(dá)到最大采集內(nèi)存。增加每格時間設(shè)置會導(dǎo)致采樣率進(jìn)一步下降。圖中顯示了最大內(nèi)存長度為 50 MS、5 MS 和 500 kS 的圖表。顯而易見，值得注意的是，可用的采集內(nèi)存越多，隨著采集時間的增加，最大采樣率可以維持的時間就越長。

一旦采樣率開始下降，用戶就必須注意儀器的有效帶寬。數(shù)字化儀器的有效帶寬是模擬帶寬或采樣率的一半中較小的一個。因此，以 1 GS/s 采樣率運行的 1 GHz 示波器的有效帶寬為 500 MHz。任何高于 500 kHz 的信號分量都會被混疊。還請記住，儀器的時間分辨率現(xiàn)在降低了。如果您想精確測量與時間相關(guān)的參數(shù)(如下降時間)，精度可能會受到影響。如果該邊緣上只有少量樣本，則測量邊緣的斜率定義不明確。

讓我們看一個例子，看看如何設(shè)置內(nèi)存使用率以最大化采樣率可以改善測量。一臺最大采樣率為 10 GS/s 的示波器被設(shè)置為采集幾個 UART 信號數(shù)據(jù)包。示波器時基設(shè)置為 10 ms/分頻，使用 10 MS 內(nèi)存，采樣率已降至 100 MS/s。此設(shè)置的有效帶寬是采樣率的一半或 50 MHz。

請注意，大部分波形都被數(shù)據(jù)包間的“死區(qū)”所占據(jù)。提高采樣率的一種方法是消除數(shù)據(jù)包間的死區(qū)，這可以通過以序列模式采集信號來實現(xiàn)。這會對采集內(nèi)存進(jìn)行分段并僅捕獲數(shù)據(jù)包，從而消除大部分死區(qū)并減少使用的內(nèi)存量。圖 3 顯示了將示波器設(shè)置為序列模式并捕獲三個段，每個段持續(xù)時間為 5 毫秒，使用相同的 2.5 毫秒總內(nèi)存。將內(nèi)存長度減少到 2.5 毫秒的效果是將采樣率從 100 MS/s 提高到 500 MS/s。

雖然由于信號的帶寬約為 14 MHz，因此兩種采樣率下的信號似乎差別很小，但如果我們觀察信號下降時間的測量結(jié)果，就會發(fā)現(xiàn)差別更明顯。

兩種采樣率均測量了下降時間。以 100 MS/s 采集的波形在邊緣有大約 6 個樣本，而以 500 MS/s 采集的波形在邊緣有 30 個樣本。由此得出的測量結(jié)果顯示平均值相差約 10%。關(guān)鍵指標(biāo)是，以 500 MS/s 采集的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 573 ps，而另一次測量顯示的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1.7 ns。標(biāo)準(zhǔn)偏差測量測量值相對于平均值的分布，它很好地表明了測量的不確定性?；旧?，以較高的采樣率進(jìn)行的測量具有較小的不確定性。請記住，采樣率與采集內(nèi)存長度直接相關(guān)。

無論儀器的內(nèi)存有多大，總會出現(xiàn)內(nèi)存不足而無法直接進(jìn)行測量的情況。在這種情況下，可能需要將測量分為單獨的計時時期。圖中頂部的軌跡是以 10 GS/s 數(shù)字化的初始脈沖。同一波形的縮放視圖(軌跡 Z2)是底部網(wǎng)格中的紅色軌跡，顯示正弦波。參數(shù) P2 測量的頻率標(biāo)稱值為 390 MHz。當(dāng)在從頂部開始的第二條軌跡中以每格 5 毫秒的速度采集整個波形時，問題就開始了。

該采集的縮放軌跡出現(xiàn)在從頂部開始的第三條軌跡中，以每格 100μs 的速度顯示。請注意，包絡(luò)與第一次采集相同。但是有一個區(qū)別;該軌跡的縮放，Z3，底部網(wǎng)格中的藍(lán)色軌跡，顯示了一個頻率為 110 MHz 的參差不齊的正弦波。即使最大內(nèi)存長度為 25 MS，25 ms 采集也只能管理 500 MS/s 的采樣率。

顯然，這是一個問題，因為 500 MS/s 不會大于載波頻率 390 MHz 的兩倍。這就是為什么載波頻率看起來是 110 MHz，它是混疊的。采樣是一種混合操作，390 MHz 載波與 500 MS/s 采樣率混合后會向下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生 110 MHz 的差值，即混疊載波頻率。

所需的測量類型可分為兩類。第一類是 RF 測量，主要包括測量載波頻率。第二類是評估低頻調(diào)制。第一種測量可以通過單獨獲取 RF 突發(fā)并測量載波(如使用頂部軌跡和頻率參數(shù) P2 所做的那樣)來進(jìn)行。

第二組測量可以在包含完整信息的混疊信號上進(jìn)行。這將有效，因為信號的頻帶非常窄，能量只有約 390 MHz?？梢詫殳B信號進(jìn)行峰值檢測，解調(diào)信號包絡(luò)將提供有關(guān)編碼以及載波門控特性的信息。

采集到的波形顯示在頂部網(wǎng)格中。它由一個射頻載波開關(guān)組成，該載波似乎是脈沖寬度調(diào)制信號。通過對采集到的信號進(jìn)行峰值檢測，可以恢復(fù)調(diào)制信號。峰值檢測是通過取調(diào)制射頻信號的絕對值然后對其進(jìn)行低通濾波來實現(xiàn)的。數(shù)學(xué)軌跡 F1 執(zhí)行該處理，結(jié)合絕對值，然后是增強分辨率 (ERES) 低通濾波器。這顯示在從頂部開始的第二條軌跡中。從頂部開始的第三條軌跡顯示疊加在調(diào)制載波上的解調(diào)信號。請注意解調(diào)信號跟蹤射頻信號的良好程度。

現(xiàn)在對提取的調(diào)制信號進(jìn)行測量，包括上升和下降時間以及第一個脈沖的寬度，并重復(fù)對串行數(shù)據(jù)流中的所有 21 個脈沖進(jìn)行這些測量。上升和下降時間代表鍵控載波的啟動和衰減時間。底部網(wǎng)格中的脈沖寬度測量直方圖顯示只有三個不同的脈沖寬度：500 μs、1 ms 和 1.5 ms

雖然示波器由于內(nèi)存有限，在獲取完整信號時無法呈現(xiàn)載波，但仍然可以從信號中獲取大量信息，但您必須了解正在發(fā)生的事情。

采集內(nèi)存長度是一項重要規(guī)格，會影響數(shù)字化儀器的采樣率和帶寬。內(nèi)存長度決定了任何固定采樣率下的采集持續(xù)時間。內(nèi)存長度越長，最高采樣率下支持的每格時間設(shè)置就越大。一旦使用最大內(nèi)存量，每格時間設(shè)置的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致采樣率降低，從而導(dǎo)致儀器的有效帶寬降低。