淺談示波器的存儲(chǔ)深度

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(xiàn)出來，優(yōu)秀國產(chǎn)示波器的代表：鼎陽（Siglent）科技和北京普源精電，如今得到了長足的發(fā)展，但由于信號傳輸?shù)逆溌菲款i以及IC封鎖，夾縫中生長的國產(chǎn)示波器注定暫時(shí)只能走低端路線，這導(dǎo)致了國產(chǎn)示波器同質(zhì)化比較嚴(yán)重、各廠家生產(chǎn)的示波器性能跟質(zhì)量參差不齊。放眼望去，外觀乃至界面各廠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(biāo)，工程師更多地考慮那些出現(xiàn)在產(chǎn)品手冊和雜志廣告的標(biāo)題中列出的技術(shù)指標(biāo)，在這些主要的技術(shù)指標(biāo)中，眾所周知的是帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度。誠然帶寬指標(biāo)理所當(dāng)然非常重要。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準(zhǔn)確顯示能力將下降。如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真，邊緣將會(huì)消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。如果沒有足夠的帶寬，得到的關(guān)于信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無意義。本規(guī)格指出示波器所能準(zhǔn)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(zhǔn)則選定的示波器的測量誤差將不會(huì)超過＋/－2%，對大多的操作來說已經(jīng)足夠。關(guān)于采樣率，指數(shù)字示波器對信號采樣的頻率，類似于電影攝影機(jī)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，我們平常所說的采樣率是指實(shí)時(shí)采樣率，這是因?yàn)閷?shí)時(shí)采樣率可以用來實(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(wěn)定信號。存儲(chǔ)深度雖然也作為重要指標(biāo)之一，但在衡量示波器時(shí)候卻往往忽略它的重要性，一直以來都把它作為一個(gè)“次要”指標(biāo)看待，并不是很清楚大的存儲(chǔ)深度對于測量有什么影響，再加上有些示波器廠家對“存儲(chǔ)深度”的誤導(dǎo)，同時(shí)存儲(chǔ)深度跟采樣率的隱藏關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致存儲(chǔ)深度處于一個(gè)形同虛設(shè)的指標(biāo)，為了糾正這些誤解，下面跟大家一起探討什么是存儲(chǔ)深度？大的存儲(chǔ)深度對測量有什么影響？何謂存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)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(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)間長度除以精確重現(xiàn)信號所須的取樣速度，可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度，也稱記錄長度。并不是有些國內(nèi)二流廠商對外宣稱的“存儲(chǔ)深度是指波形錄制時(shí)所能錄制的波形最長記錄“，這樣的偷換概念，完全向相反方向引導(dǎo)人們的理解，難怪乎其技術(shù)指標(biāo)高達(dá)”1042K“的記錄長度。這就是為什么他們不說存儲(chǔ)深度是在高速采樣下，一次實(shí)時(shí)采集波形所能存儲(chǔ)的波形點(diǎn)數(shù)。

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

在存儲(chǔ)深度一定的情況下，存儲(chǔ)速度越快，存儲(chǔ)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(diào)節(jié)時(shí)基檔位越小采樣率越高。存儲(chǔ)速度等效于采樣率，存儲(chǔ)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：

存儲(chǔ)深度＝采樣率×采樣時(shí)間（距離=速度×時(shí)間）

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

下圖曲線揭示了采樣率、存儲(chǔ)深度、采樣時(shí)間三者的關(guān)系及存儲(chǔ)深度對示波器實(shí)際采樣率的影響。比如，當(dāng)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(chǔ)深度下，當(dāng)前的實(shí)際采樣率為：1M÷120us︽8.3GS/s，如果存儲(chǔ)深度只有250K，那當(dāng)前的實(shí)際采樣率就只要2.0GS/s了！

一句話，存儲(chǔ)深度決定了DSO同時(shí)分析高頻和低頻現(xiàn)象的能力，包括低速信號的高頻噪聲和高速信號的低頻調(diào)制。

長存儲(chǔ)對測量的影響
明白了存儲(chǔ)深度與取樣速度密切關(guān)系后，我們來淺談下長存儲(chǔ)對于我們平常的測量帶來什么的影響呢？平常分析一個(gè)十分穩(wěn)定的正弦信號，只需要500點(diǎn)的記錄長度；但如果要解析一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要有上萬個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的存儲(chǔ)深度，這是普通存儲(chǔ)是做不到的，這時(shí)候就需要我們選擇長存儲(chǔ)模式?？上驳氖乾F(xiàn)在國產(chǎn)示波已經(jīng)具有這樣的選擇，比如鼎陽（Siglent）公司推出的ADS1000CA系列示波器高達(dá)2M的存儲(chǔ)深度，是目前國產(chǎn)示波器最大的存儲(chǔ)深度示波器，打破了只有高端示波器才可能具有大的存儲(chǔ)深度的功能。通過選擇長存儲(chǔ)模式，以便對一些操作中的細(xì)節(jié)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(xiàn)捕獲波形。
長存儲(chǔ)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(shù)據(jù)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說300MHz的示波器帶寬相對于幾百KHz的電源開關(guān)頻率來說已經(jīng)足夠，但很多時(shí)候我們卻忽略了對采樣率和存儲(chǔ)深度的選擇.比如說在常見的開關(guān)電源的測試中，電壓開關(guān)的頻率一般在200KHz或者更快，由于開關(guān)信號中經(jīng)常存在著工頻調(diào)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，意味著我們需要捕獲一段20ms長的波形，這樣我們可以計(jì)算出來示波器每通道所需的存儲(chǔ)深度=20ms/20ns=1Mpts ！這就是為什么我們需要大的存儲(chǔ)深度的原因了！如果此時(shí)存儲(chǔ)深度達(dá)不到1 Mpts，只有普通示波器的幾K呢？那么要么我們無法觀測如此長周期信號，要么就是觀測如此長周期信號時(shí)只能以低采樣率進(jìn)行采樣，結(jié)果波形重建的時(shí)候根本無法詳細(xì)顯示開關(guān)頻率的波形情況。
長存儲(chǔ)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(kuò)展波形時(shí)由于數(shù)據(jù)點(diǎn)充分，可以很好觀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(xiàn)問題、調(diào)測設(shè)備帶來極大的便利。而如果是普通存儲(chǔ)，為了保持高的采樣率，則在長的記錄時(shí)間內(nèi)，由于示波器的連續(xù)采樣，則內(nèi)存中已經(jīng)記錄了幾幀數(shù)據(jù)，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并不是一次采集獲得的數(shù)據(jù)，此時(shí)如果停止采集，并對波形旋轉(zhuǎn)時(shí)基進(jìn)行放大顯示，則只能達(dá)到有限的幾個(gè)檔位，無法實(shí)現(xiàn)全掃描范圍的觀察。
在DSO中，通過快速傅立葉變換（FFT）可以得到信號的頻譜，進(jìn)而在頻域?qū)σ粋€(gè)信號進(jìn)行分析。如電源諧波的測量需要用FFT來觀察頻譜，在高速串行數(shù)據(jù)的測量中也經(jīng)常用FFT來分析導(dǎo)致系統(tǒng)失效的噪聲和干擾。對于FFT運(yùn)算來說，示波器可用的采集內(nèi)存的總量將決定可以觀察信號成分的最大范圍（奈奎斯特頻率），同時(shí)存儲(chǔ)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，考慮一下確定觀察窗的長度和采集緩沖區(qū)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(chǔ)器的數(shù)字示波器，可以分析的最高頻率為：
△ f × N/2 = 10 kHz × 100kB/2 = 500MHz。對于DSO來說，長存儲(chǔ)能產(chǎn)生更好的
FFT結(jié)果，既增加了頻率分辨率又提高了信號對噪聲的比率。

總之，長存儲(chǔ)起到一個(gè)總覽全局又細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的的效果，存儲(chǔ)深度決定了DSO同時(shí)分析高頻和低頻現(xiàn)象的能力，包括低速信號的高頻噪聲和高速信號的低頻調(diào)制。