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浅谈示波器的存储深度

得益于电子技术的发展,在国外三巨头垄断的示波器领域,国产示波器也如雨后春笋般涌现出来,优秀国产示波器的代表:鼎阳(Siglent)科技和

得益于电子技术的开展,在国外三巨子独占的示波器范畴,国产示波器也如漫山遍野般出现出来,优异国产示波器的代表:鼎阳(Siglent)科技和北京普源精电,现在得到了长足的开展,但因为信号传输的链路瓶颈以及IC封闭,缝隙中成长的国产示波器注定暂时只能走低端道路,这导致了国产示波器同质化比较严重、各厂家出产的示波器功用跟质量良莠不齐。放眼望去,外观乃至界面各厂商都一致地选用所谓的“干流”操作方法,而作为衡量示波器的技术目标,工程师更多地考虑那些出现在产品手册和杂志广告的标题中列出的技术目标,在这些首要的技术目标中,众所周知的是带宽、采样率和存储深度。固然带宽目标天经地义非常重要。带宽决议示波器对信号的底子丈量才能。跟着信号频率的添加,示波器对信号的准确显现才能将下降。假如没有满足的带宽,示波器将无法分辩高频改变。起伏将出现失真,边际将会消失,细节数据将被丢掉。假如没有满足的带宽,得到的关于信号的一切特性,响铃和振鸣等都毫无意义。本标准指出示波器所能准确丈量的频率规模。每位工程师都满足注重带宽对丈量的影响,所以咱们都遵从丈量的五倍规律:示波器所需带宽=被测信号的最高信号频率*5,运用五倍原则选定的示波器的丈量误差将不会超越+/-2%,对大多的操作来说现已满足。关于采样率,指数字示波器对信号采样的频率,类似于电影摄影机中的帧的概念。示波器的采样速率越快,所显现的波形的分辩率和清晰度就越高,重要信息和事情丢掉的概率就越小,信号重建时也就越实在。采样率又分为实时采样率跟等效采样率,咱们往常所说的采样率是指实时采样率,这是因为实时采样率能够用来实时地捕获非周期反常信号,而等效采样率则只能用于收集周期性的安稳信号。存储深度尽管也作为重要目标之一,但在衡量示波器时分却往往疏忽它的重要性,一直以来都把它作为一个“非必须”目标看待,并不是很清楚大的存储深度关于丈量有什么影响,再加上有些示波器厂家对“存储深度”的误导,一同存储深度跟采样率的躲藏相关联系,导致存储深度处于一个形同虚设的目标,为了纠正这些误解,下面跟咱们一同讨论什么是存储深度?大的存储深度对丈量有什么影响?何谓存储深度

存储深度是示波器所能存储的采样点多少的丈量。假如您需求不间断的捕捉一个脉冲串,则要求示波器有满足的存储器以便捕捉整个事情。将所要捕捉的时刻长度除以准确重现信号所须的取样速度,能够计算出所要求的存储深度,也称记载长度。并不是有些国内二流厂商对外声称的“存储深度是指波形录制时所能录制的波形最长记载“,这样的偷换概念,完全向相反方向引导人们的了解,难怪乎其技术目标高达”1042K“的记载长度。这便是为什么他们不说存储深度是在高速采样下,一次实时收集波形所能存储的波形点数。

把经过A/D数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中,便是示波器的存储,这个进程是“写进程”。内存的容量(存储深度)是很重要的。关于DSO,其最大存储深度是必定的,但是在实践测验中所运用的存储长度却是可变的。

在存储深度必定的状况下,存储速度越快,存储时刻就越短,他们之间是一个反比联系。一同采样率跟时基(timebase)是一个联动的联系,也便是调节时基档位越小采样率越高。存储速度等效于采样率,存储时刻等效于采样时刻,采样时刻由示波器的显现窗口所代表的时刻决议,所以:

存储深度=采样率×采样时刻(距离=速度×时刻)

因为DSO的水平刻度分为12格,每格的所代表的时刻长度即为时基(timebase),单位是s/div,所以采样时刻=timebase×12.由存储联系式知道:进步示波器的存储深度能够直接进步示波器的采样率,当要丈量较长时刻的波形时,因为存储深度是固定的,所以只能下降采样率来到达,但这样必然形成波形质量的下降;假如增大存储深度,则能够以更高的采样率来丈量,以获取不失真的波形。

下图曲线提醒了采样率、存储深度、采样时刻三者的联系及存储深度对示波器实践采样率的影响。比方,其时基挑选10us/div档位时,整个示波器窗口的采样时刻是10us/div * 12格=120us,在1Mpts的存储深度下,当时的实践采样率为:1M÷120us︽8.3GS/s,假如存储深度只需250K,那当时的实践采样率就只需2.0GS/s了!

一句话,存储深度决议了DSO一同剖析高频和低频现象的才能,包含低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。

长存储对丈量的影响
理解了存储深度与取样速度密切联系后,咱们来浅谈下长存储关于咱们往常的丈量带来什么的影响呢?往常剖析一个非常安稳的正弦信号,只需求500点的记载长度;但假如要解析一个杂乱的数字数据流,则需求有上万个点或更多点的存储深度,这是一般存储是做不到的,这时分就需求咱们挑选长存储形式。可喜的是现在国产示波现已具有这样的挑选,比方鼎阳(Siglent)公司推出的ADS1000CA系列示波器高达2M的存储深度,是现在国产示波器最大的存储深度示波器,打破了只需高端示波器才或许具有大的存储深度的功用。经过挑选长存储形式,以便对一些操作中的细节进行优化,一同装备1G实时采样率以及高刷新率,完美再现捕获波形。
长存储对往常的丈量中,影响最显着的是在表头含有快速改变的数据链和功率丈量中。这是因为功率电子的频率相对较低(大部分小于1MHz),这关于咱们挑选示波器带宽来说300MHz的示波器带宽相关于几百KHz的电源开关频率来说现已满足,但许多时分咱们却疏忽了对采样率和存储深度的挑选.比方说在常见的开关电源的测验中,电压开关的频率一般在200KHz或许更快,因为开关信号中常常存在着工频调制,工程师需求捕获工频信号的四分之一周期或许半周期,乃至是多个周期。开关信号的上升时刻约为100ns,咱们主张为确保准确的重建波形需求在信号的上升沿上有5个以上的采样点,即采样率至少为5/100ns=50MS/s,也便是两个采样点之间的时刻距离要小于100/5=20ns,关于至少捕获一个工频周期的要求,意味着咱们需求捕获一段20ms长的波形,这样咱们能够计算出来示波器每通道所需的存储深度=20ms/20ns=1Mpts !这便是为什么咱们需求大的存储深度的原因了!假如此刻存储深度达不到1 Mpts,只需一般示波器的几K呢?那么要么咱们无法观测如此长周期信号,要么便是观测如此长周期信号时只能以低采样率进行采样,成果波形重建的时分底子无法具体显现开关频率的波形状况。
长存储形式下,既确保了采样在高速率下对信号进行采样,又能确保记载长时刻的信号。假如此刻只进行单次捕捉或中止收集,那么在不一同基下扩展波形时因为数据点充沛,能够很好观测叠加在信号上面的小毛刺等反常信号,这关于工程师发现问题、调测设备带来极大的便当。而假如是一般存储,为了坚持高的采样率,则在长的记载时刻内,因为示波器的接连采样,则内存中现已记载了几帧数据,内存中的数据并不是一次收集取得的数据,此刻假如中止收集,并对波形旋转时基进行扩大显现,则只能到达有限的几个档位,无法完成全扫描规模的调查。
在DSO中,经过快速傅立叶改换(FFT)能够得到信号的频谱,进而在频域对一个信号进行剖析。如电源谐波的丈量需求用FFT来调查频谱,在高速串行数据的丈量中也常常用FFT来剖析导致体系失效的噪声和搅扰。关于FFT运算来说,示波器可用的收集内存的总量将决议能够调查信号成分的最大规模(奈奎斯特频率),一同存储深度也决议了频率分辩率△f。假如奈奎斯特频率为500 MHz,分辩率为10 kHz,考虑一下确认调查窗的长度和收集缓冲区的巨细。若要取得10kHz 的分辩率,则收集时刻至少为: T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms,关于具有100kB 存储器的数字示波器,能够剖析的最高频率为:
△ f × N/2 = 10 kHz × 100kB/2 = 500MHz。关于DSO来说,长存储能发生更好的
FFT成果,既添加了频率分辩率又进步了信号对噪声的比率。

总归,长存储起到一个总览大局又细节出现的的作用,存储深度决议了DSO一同剖析高频和低频现象的才能,包含低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。

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