示波器的存儲深度與采樣率

示波器的存儲,、存儲深度

在選擇示波器時，工程師首先需要確定測量所需的帶寬,。然而當(dāng)示波器的帶寬確定后,，影響實際測量的恰恰是相互作用、相互制約的采樣率和存儲深度,。圖1是數(shù)字示波器的工作原理簡圖,。
                                   

  圖1數(shù)字--存儲示波器的原理組成框圖

輸入的電壓信號首先進入示波器的前端放大器，放大器將信號放大或者衰減以調(diào)整信號的動態(tài)范圍,，其輸出的信號由采樣/保持電路進行采樣,，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,，信號變成數(shù)字形式存入存儲器中,，微處理器對存儲器中的數(shù)字化信號波形進行相應(yīng)的處理，并顯示在顯示屏上,。這就是數(shù)字存儲示波器簡單的工作過程,。

采樣、采樣速率

由于計算機只能處理離散的數(shù)字信號,，模擬電壓信號進入示波器后面臨的首要問題就是連續(xù)信號的數(shù)字化（模/數(shù)轉(zhuǎn)化）問題,。

通過測量等時間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉(zhuǎn)化為用8位二進制代碼表示的數(shù)字信息,，這就是DSO的采樣（見圖2）,。每兩次采樣之間的時間間隔越小，那么重建出來的波形就越接近原始信號,。采樣率（SamplingRate）就是采樣時間間隔的倒數(shù),。例如，如果示波器的采樣率是每秒10G次（10GSa/s）,，則意味著每100ps進行一次采樣,。
                                                 
  圖2示波器的采樣

采樣模式

采樣技術(shù)大體上分為兩類：實時模式和等效時間模式。

實時采樣（Real-TimeSampling）模式用來捕獲非重復(fù)性或單次信號,，使用固定的時間間隔進行采樣,。觸發(fā)一次后，示波器對電壓進行連續(xù)采樣,，然后根據(jù)采樣點重建信號波形,。

等效時間采樣（Equivalent-TimeSampling），是對周期性波形在不同的周期中進行采樣,，然后將采樣點拼接起來重建波形,，為了得到足夠多的采樣點，需要多次觸發(fā)。等效時間采樣又包括順序采樣和隨機重復(fù)采樣兩種,。使用等效時間采樣模式必須滿足兩個前提條件：1.波形必須是重復(fù)的；2.必須能穩(wěn)定觸發(fā),。

示波器絕大部分時間工作在實時采樣模式下,，此時示波器的帶寬取決于ADC的zui高采樣速率和所采用的內(nèi)插算法。因此示波器的實時帶寬與DSO采用的內(nèi)插算法有關(guān),。

通常用有效存儲帶寬（BWa）來表征DSO的實際帶寬,其定義為：BWa=zui高采樣速率/K,。對于單次信號，zui高采樣速率是指zui高實時采樣速率,，即A/D轉(zhuǎn)化器的zui高速率,；對于重復(fù)信號，是指zui高等效采樣速率,。

K稱為帶寬因子,，取決于DSO采用的內(nèi)插算法。DSO采用的內(nèi)插算法一般有線性（linear）插值和正弦（sinx/x）插值兩種,。K在用線性插值時約為10,，用正弦內(nèi)插約為2.5，而K=2.5只適用于重現(xiàn)正弦波,，對于脈沖波,，一般取K=4,此時，具有1GSa/s采樣率的DSO的有效存儲帶寬為250MHz,。

這也解釋了示波器用于實時采樣時,，為什么zui大采樣率通常是其額定模擬帶寬的四倍或以上。一般來說,，采樣率總是越高越好,。
                                             
   圖3不同插值方式的波形顯示存儲、存儲深度
根據(jù)Nyquist采樣定理,，對于正弦波,，每個周期至少需要兩次以上的采樣才能保證數(shù)字化后的脈沖序列能較為準(zhǔn)確的還原原始波形。如果采樣率低于Nyquist采樣率則會導(dǎo)致混疊（Aliasing）現(xiàn)象,。

由Nyquist定理知道對于zui大采樣率為10GSa/s的示波器,，可以測量zui高頻率為5GHz的信號，即采樣率的一半,，這就是示波器的數(shù)字帶寬,，而這個帶寬是DSO的上限頻率，實際帶寬是不可能達到這個值的,，數(shù)字帶寬是從理論上推導(dǎo)出來的,，是DSO帶寬的理論值。與我們經(jīng)常提到的示波器帶寬（模擬帶寬）是*不同的兩個概念。

在示波器中,，把經(jīng)過A/D數(shù)字化后的八位二進制波形信息存儲到示波器的高速CMOS存儲器中,，就是示波器的存儲。存儲器的容量（存儲深度）是很重要的,。在存儲深度一定的情況下,，存儲速度越快，存儲時間就越短,，它們之間是反比關(guān)系,。所以：

存儲深度＝采樣率×采樣時間

由此可見，提高示波器的存儲深度可以間接提高其采樣率：當(dāng)要捕獲較長的波形時,，由于存儲深度是固定的,，所以只能降低采樣率，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降,；如果增大存儲深度,，則可以使用更高的采樣率，以獲取不失真的波形,。

因此,，存儲深度決定了DSO同時分析高頻和低頻現(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,。

了解了采樣率和存儲深度后,，就非常容易理解這兩個參數(shù)對于實際測量的影響。

1電源測量中長存儲的重要性

在常見的開關(guān)電源的測試中,，開關(guān)頻率一般為200kHz左右或者更快,，由于開關(guān)信號中經(jīng)常存在工頻調(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,，甚至是多個周期,。

開關(guān)信號的典型上升時間約為100ns，為保證的重建波形需要在信號的上升沿上有5個以上的采樣點,，即采樣率至少為5/100ns=50MSa/s,，也就是兩個采樣點之間的時間間隔要小于100/5=20ns，對于至少捕獲一個工頻周期的要求,，意味著需要捕獲一段20ms長的波形,，這樣可以計算出來示波器每通道所需的存儲深度=20ms/20ns=1M。

同樣,，在分析電源上電的軟啟動過程中功率器件承受的電壓應(yīng)力的zui大值則需要捕獲整個上電過程（十幾毫秒）,，所需要的示波器采樣率和存儲深度甚至更高。

2存儲深度對FFT結(jié)果的影響

在DSO中,，通過快速傅立葉變換（FFT）可以得到信號的頻譜,，進而在頻域?qū)σ粋€信號進行分析,。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運算,，存儲深度將同時決定可觀察信號成分的zui大范圍（奈奎斯特頻率）和頻率分辨率△f。如果奈奎斯特頻率為500MHz,，分辨率為10kHz,，若要獲得10kHz的分辨率，則采集時間至少為：
T=1/△f=1/10kHz=100ms

對于具有1M存儲器的數(shù)字示波器,，可以分析的zui高頻率為：
△f×N/2=10kHz×1M/2=5GHz

因此長存儲能產(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,。

需要指出的是,，對于長波形的FFT分析需要示波器*的數(shù)據(jù)處理能力，這往往超出了一般示波器的運算極限,。力科示波器zui大可以做128M點的FFT,。
                                         圖4用某示波器對18M數(shù)據(jù)做眼圖/抖動測量3高速串行信號分析需要真正意義的長存儲

當(dāng)使用示波器進行抖動測試時，高速采集內(nèi)存長度是示波器進行抖動測試的關(guān)鍵指標(biāo),。存儲深度不僅決定了一次抖動測試中樣本數(shù)的多少,，還決定了示波器能夠測試的抖動頻率范圍。例如,，用一個具有20GSa/s采樣率和1M存儲深度的示波器捕獲2.5Gb/s的信號,，可得到50μs長的一段波形，意味著能捕獲到一個20kHz的低頻抖動周期,。在相同采樣率下如果存儲深度增加到100M,，則可以捕獲到200Hz的低頻抖動周期。

在眼圖測量中,，由于高速串行總線的數(shù)據(jù)速率越來越高,，需要示波器有更強的數(shù)據(jù)處理能力對大量的數(shù)據(jù)樣本做實時的眼圖分析。例如,，對PCIE-G2的眼圖分析需要一次對1MUI的數(shù)據(jù)進行測量,，捕獲連續(xù)的1MUI的數(shù)據(jù)樣本即200μs,在40GSa/s的采樣率下，需要的存儲深度達到8M,，這個數(shù)據(jù)量的處理很容易導(dǎo)致示波器處理速度非常慢甚至死機,！因此某些品牌的示波器就只能借助軟件來完成，但軟件做眼圖的效率是很低的,，對于定位及調(diào)試并不是很好的工具,。

目前，基于X-StreamII架構(gòu)的第四代示波器提出了“可分析存儲深度”的觀念,，在高采樣,、長存儲下其運算和眼圖測量的速度比其他示波器快了2～50倍,！可以從容應(yīng)對當(dāng)前及下一代高速串行總線的調(diào)試和分析。