關於示波器的存儲深度

存儲深度=採樣率*採樣時間。我一直將這個關係式稱為示波器的第一關係式。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/336524.htm

我在一個高大上的公司做工程師的時候並不知道這個關係式，直到我後來賣示波器才知道有這麼一個關係式，而且很重要。再追溯到我讀書的時候，當然更不知道這個關係式。

做工程師的時候，我的老闆告訴我，為了確保示波器能準確地捕獲電源MOS管的峰值電壓，千萬不要在屏幕上同時看很多波形，儘量讓示波器上只顯示一個脈衝。他的做法是不斷地調節觸發電平，肉眼盯著示波器看，直到他調節觸發電平到足夠高（多少是足夠？），認為某次「抓到」的峰值電壓應該就是最大的了。 他為什麼不同時捕獲更多的波形，只要確保採樣率是最大或者足夠就好了，再打開參數測量的統計值不是更好嗎？ 但是他只相信自己的眼睛盯著看到的那個波形，並斷定某一個波形就一定是最大的了。還好他會使用觸發電平的。我們小弟當然也就相信他是權威啦，因為他當時確實已經是公司級的專家了。……

這個真實故事給了我要舉辦1000場示波器技術交流會的強大理由。工程師們不太願意拿出1個小時聽聽示波器的基礎課程，總覺得這示波器很簡單，但其實對於示波器的ABC的認知還是太少。有些人將這個作為中國工程師和國外工程師的區別之一。這個判斷多少是令人有點憤怒的，但確實在某種程度上真的是這樣。 甚至換一個角度說，一個公司使用示波器的專業程度基本能反應一個公司的研發水平的。

那麼今天我們花一點點時間快速閱讀一下這篇關於示波器存儲深度的「淺淺的」文章吧。為滿足大家快閱讀的需求，先將文章的標題摘錄如下：
1，存儲深度的基本概念
2，示波器存儲器的物理介質
3，存儲深度和採樣率的關係
4，最大存儲深度，當前設置的最大存儲深度，存儲深度的疊加使用，可顯示的存儲深度，可分析存儲深度，
5，存儲深度的應用價值

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存儲深度被稱為示波器的第三大指標。存儲深度=採樣率*採樣時間。這個關係式被筆者稱為示波器的第一關係式。

1，存儲深度的基本概念

「存儲深度」是個翻譯過來的詞語,英文叫「Record Length」。有的將它翻譯成「存儲長度」，「記錄長度」，等。它表示示波器可以保存的採樣點的個數。存儲深度是「1千萬個採樣點」，示波器廠商寫作10Mpts,10MS或10M的都有。這裡，pts可以理解為points的縮寫，S理解為Samples的意思。

存儲深度表現在物理介質上其實是某種存儲器的容量，存儲器英文就是「Memory」。該存儲器容量的大小也就是「存儲深度」。存儲器保存滿了，達到存儲深度的極限之後怎麼辦？ 我們可以將示波器的存儲器理解為環形存儲器。示波器不斷採樣得到新的採樣點會填充進來，老的採樣點會自動地溢出，這樣周而復始的過程直到示波器被「觸發信號」「叫停」或者間隔一定長的時間被強迫「叫停」為止。「叫停」一次，示波器就將存儲器中保存的這些採樣點「搬移」到示波器的屏幕上顯示。這兩次「搬移」之間等待的時間相對於採樣的時間極其漫長，被稱為「死區時間」。

上述過程經常被筆者這樣打比方：存儲器就像一個「水缸」，「水缸」的容量就是「存儲深度」。如果使用一個「水龍頭」以恆定的速度對水缸注水，水龍頭的水流速度就是「採樣率」。當水缸已經被注滿水之後，水龍頭仍然在對水缸注水，水缸裡的水有一部分會溢出來，但水缸的總體容量是保持不變的。在某種條件下，水缸裡的水將被全部倒出來，周而復始。圖1形象地表示了這種環形存儲器的概念。

圖1 示波器的環形存儲器

2，示波器存儲器的物理介質

存儲器的物理介質是什麼? 是否就是我們熟悉的DDR內存呢? 容量為什麼那麼小？為什麼不可以用硬碟或者SD卡等大容量介質作為物理介質呢？ 如果是硬碟作為存儲介質，示波器不就可以作為數據記錄儀了嗎？

回答上述問題其實並不容易！

據筆者了解，早期的示波器包括現在的高帶寬示波器使用的存儲器都是示波器廠商自己設計的專用晶片，甚至一度存儲器晶片和ADC晶片之間的配合是A公司（後來叫K公司）的一個技術瓶頸。在若干年之前，K公司的所有示波器在存儲深度達到每通道2Mpts採樣點之後，採樣率會自動降低到4GS/s，直到2006年（好象是這個年份，也許更晚點），當年的A公司收購了某晶片公司才解決這個技術瓶頸。現在K公司的低帶寬示波器的所有系列中，存儲深度指標一直不能突破每通道2Mpts，我猜想它可能採用的還是老款晶片。

對於高端示波器，存儲器晶片一直是核心技術，對於裡面的技術細節筆者知之甚少。示波器中的ADC速率太快，普通的存儲介質根本來不及在這麼短的時間內「吞吐」那麼大量的數據量。

還是用具體的數字來理解高速ADC的超大數據量對存儲器「吞吐量」提出的要求。譬如ADC的採樣率是20GS/s，也就是說每秒鐘要採樣20G個點，而每個點是由8個0和1組成。如果ADC的輸出是完全按照串行數據的傳輸到存儲器中，那麼傳輸速率就是160Gbps。這是什麼概念？ 現在的PCI-Express 3.0的速率是 8Gbps，最高速的高速晶片在單板上傳輸速率能達到25Gbps，但還不成熟，也沒有用到示波器上。高速ADC的採樣點怎麼傳輸到存儲器中，這是一個難題! 其實這麼高速的ADC也不可能是單晶片設計的，內部是由很多2.5GS/s或1.25GS/s，250MS/s的「小的」ADC「交織拼接」實現的。既然不完全是串行的方式實現，採用並行傳輸之後，傳輸到存儲器的數據又怎麼校準、對齊，再通過觸發機制規整地顯示到示波器屏幕上呢？ 這是示波器廠商的一點點小秘密。示波器發展到今天這方面門檻談不上多高,但還是有那麼一點點的。

大家可能又會問另外一個問題，存儲器的數據又是怎麼傳輸CPU中被分析、被顯示呢? 這也是一個問題，這問題涉及到示波器的數據處理的架構。隨著示波器技術的發展，目前存在的兩種架構，一種是基於PC平臺的，另外一種是嵌入式的，主要是基於FPGA實現的。隨著DDR內存速率的提高和FPGA計算能力的增強，現在基於FPGA計算平臺的存儲器晶片已經不再神秘，多是採用工業上的DDR內存顆粒了，因此存儲深度這個指標，在不顧及存儲的採樣點是否真的被顯示、被分析的情況下，可以做得特別大了。但往往真實情況是，雖然存儲深度很高，但顯示的採樣點數和分析的採樣點數可能只有千分之幾，這主要取決於FPGA的「計算資源」或者說取決於成本，換句話說，取決於示波器產品的定義了。當然在不顧及成本的情況下，可以向外行人吹噓一下是算法的優勢。在這類產品中，在屏幕上看到的波形對應的存儲深度並不等於採樣率乘以採樣時間，這有時侯確是讓人很糾結的。

3，存儲深度和採樣率的關係
存儲深度=採樣率*採樣時間。筆者一直執著地將它稱為示波器中的第一關係式，因為很多工程師在使用示波器過程中因為忘記這個關係式而產生錯誤。如圖2為中國首款智能示波器SDS3000的顯示界面。右下方紅色方框中，右邊兩個數值50MS/s和20ms/div相乘，再乘以10，就等於左邊的數10MS。當前採樣率為50MS/s，當前時基為20ms/div，因為水平軸是10格（有些示波器是12格或14格），因此採樣時間為200ms, 50MS/s * 200ms = 10MS。就是說以50MS/s的採樣率捕獲200ms的波形，需要示波器的存儲幅度是10MS。這和水缸裡面注水是一個概念，如果「水龍頭」的流速是每秒5千萬（50M）滴水，那麼持續向「水缸」注水200ms，水缸中就有了1千萬（10M）滴水了。 就是這麼簡單的乘積關係。