淺談示波器的存儲深度

得益於電子技術的發展，在國外三巨頭壟斷的示波器領域，國產示波器也如雨後春筍般湧現出來，優秀國產示波器的代表：鼎陽（Siglent）科技和北京普源精電，如今得到了長足的發展，但由於信號傳輸的鏈路瓶頸以及IC封鎖，夾縫中生長的國產示波器註定暫時只能走低端路線，這導致了國產示波器同質化比較嚴重、各廠家生產的示波器性能跟質量參差不齊。放眼望去，外觀乃至界面各廠商都一致地採用所謂的「主流」操作方式，而作為衡量示波器的技術指標，工程師更多地考慮那些出現在產品手冊和雜誌廣告的標題中列出的技術指標，在這些主要的技術指標中，眾所周知的是帶寬、採樣率和存儲深度。誠然帶寬指標理所當然非常重要。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。幅度將出現失真，邊緣將會消失，細節數據將被丟失。如果沒有足夠的帶寬，得到的關於信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無意義。本規格指出示波器所能準確測量的頻率範圍。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，使用五倍準則選定的示波器的測量誤差將不會超過＋/－2%，對大多的操作來說已經足夠。關於採樣率，指數字示波器對信號採樣的頻率，類似於電影攝影機中的幀的概念。示波器的採樣速率越快，所顯示的波形的解析度和清晰度就越高，重要信息和事件丟失的概率就越小，信號重建時也就越真實。採樣率又分為實時採樣率跟等效採樣率，我們平常所說的採樣率是指實時採樣率，這是因為實時採樣率可以用來實時地捕獲非周期異常信號，而等效採樣率則只能用於採集周期性的穩定信號。存儲深度雖然也作為重要指標之一，但在衡量示波器時候卻往往忽略它的重要性，一直以來都把它作為一個「次要」指標看待，並不是很清楚大的存儲深度對於測量有什麼影響，再加上有些示波器廠家對「存儲深度」的誤導，同時存儲深度跟採樣率的隱藏關聯關係，導致存儲深度處於一個形同虛設的指標，為了糾正這些誤解，下面跟大家一起探討什麼是存儲深度？大的存儲深度對測量有什麼影響？何謂存儲深度

存儲深度是示波器所能存儲的採樣點多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個脈衝串，則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以精確重現信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱記錄長度。並不是有些國內二流廠商對外宣稱的「存儲深度是指波形錄製時所能錄製的波形最長記錄「，這樣的偷換概念，完全向相反方向引導人們的理解，難怪乎其技術指標高達」1042K「的記錄長度。這就是為什麼他們不說存儲深度是在高速採樣下，一次實時採集波形所能存儲的波形點數。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/337859.htm

把經過A/D數位化後的八位二進位波形信息存儲到示波器的高速CMOS內存中，就是示波器的存儲，這個過程是「寫過程」。內存的容量（存儲深度）是很重要的。對於DSO，其最大存儲深度是一定的，但是在實際測試中所使用的存儲長度卻是可變的。

在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短，他們之間是一個反比關係。同時採樣率跟時基（timebase）是一個聯動的關係，也就是調節時基檔位越小採樣率越高。存儲速度等效於採樣率，存儲時間等效於採樣時間，採樣時間由示波器的顯示窗口所代表的時間決定，所以：

存儲深度＝採樣率×採樣時間（距離=速度×時間）

由於DSO的水平刻度分為12格，每格的所代表的時間長度即為時基（timebase）,單位是s/div,所以採樣時間＝timebase×12.由存儲關係式知道：提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的採樣率，當要測量較長時間的波形時，由於存儲深度是固定的，所以只能降低採樣率來達到，但這樣勢必造成波形質量的下降；如果增大存儲深度，則可以以更高的採樣率來測量，以獲取不失真的波形。

下圖曲線揭示了採樣率、存儲深度、採樣時間三者的關係及存儲深度對示波器實際採樣率的影響。比如，當時基選擇10us/div檔位時，整個示波器窗口的採樣時間是10us/div * 12格=120us，在1Mpts的存儲深度下，當前的實際採樣率為：1M÷120us︽8.3GS/s，如果存儲深度只有250K，那當前的實際採樣率就只要2.0GS/s了！

一句話，存儲深度決定了DSO同時分析高頻和低頻現象的能力，包括低速信號的高頻噪聲和高速信號的低頻調製。

長存儲對測量的影響
明白了存儲深度與取樣速度密切關係後，我們來淺談下長存儲對於我們平常的測量帶來什麼的影響呢？平常分析一個十分穩定的正弦信號，只需要500點的記錄長度；但如果要解析一個複雜的數字數據流，則需要有上萬個點或更多點的存儲深度，這是普通存儲是做不到的，這時候就需要我們選擇長存儲模式。可喜的是現在國產示波已經具有這樣的選擇，比如鼎陽（Siglent）公司推出的ADS1000CA系列示波器高達2M的存儲深度，是目前國產示波器最大的存儲深度示波器，打破了只有高端示波器才可能具有大的存儲深度的功能。通過選擇長存儲模式，以便對一些操作中的細節進行優化，同時配備1G實時採樣率以及高刷新率，完美再現捕獲波形。
長存儲對平常的測量中，影響最明顯的是在表頭含有快速變化的數據鏈和功率測量中。這是由於功率電子的頻率相對較低（大部分小於1MHz），這對於我們選擇示波器帶寬來說300MHz的示波器帶寬相對於幾百KHz的電源開關頻率來說已經足夠，但很多時候我們卻忽略了對採樣率和存儲深度的選擇.比如說在常見的開關電源的測試中，電壓開關的頻率一般在200KHz或者更快，由於開關信號中經常存在著工頻調製，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。開關信號的上升時間約為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個以上的採樣點，即採樣率至少為5/100ns=50MS/s，也就是兩個採樣點之間的時間間隔要小於100/5=20ns，對於至少捕獲一個工頻周期的要求，意味著我們需要捕獲一段20ms長的波形，這樣我們可以計算出來示波器每通道所需的存儲深度=20ms/20ns=1Mpts ！這就是為什麼我們需要大的存儲深度的原因了！如果此時存儲深度達不到1 Mpts，只有普通示波器的幾K呢？那麼要麼我們無法觀測如此長周期信號，要麼就是觀測如此長周期信號時只能以低採樣率進行採樣，結果波形重建的時候根本無法詳細顯示開關頻率的波形情況。
長存儲模式下，既保證了採樣在高速率下對信號進行採樣，又能保證記錄長時間的信號。如果此時只進行單次捕捉或停止採集，那麼在不同時基下擴展波形時由於數據點充分，可以很好觀測疊加在信號上面的小毛刺等異常信號，這對於工程師發現問題、調測設備帶來極大的便利。而如果是普通存儲，為了保持高的採樣率，則在長的記錄時間內，由於示波器的連續採樣，則內存中已經記錄了幾幀數據，內存中的數據並不是一次採集獲得的數據，此時如果停止採集，並對波形旋轉時基進行放大顯示，則只能達到有限的幾個檔位，無法實現全掃描範圍的觀察。
在DSO中，通過快速傅立葉變換（FFT）可以得到信號的頻譜，進而在頻域對一個信號進行分析。如電源諧波的測量需要用FFT來觀察頻譜，在高速串行數據的測量中也經常用FFT來分析導致系統失效的噪聲和幹擾。對於FFT運算來說，示波器可用的採集內存的總量將決定可以觀察信號成分的最大範圍（奈奎斯特頻率），同時存儲深度也決定了頻率解析度△f。如果奈奎斯特頻率為500 MHz，解析度為10 kHz，考慮一下確定觀察窗的長度和採集緩衝區的大小。若要獲得10kHz 的解析度，則採集時間至少為： T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms，對於具有100kB 存儲器的數字示波器，可以分析的最高頻率為：
△ f × N/2 = 10 kHz × 100kB/2 = 500MHz。對於DSO來說，長存儲能產生更好的
FFT結果，既增加了頻率解析度又提高了信號對噪聲的比率。

總之，長存儲起到一個總覽全局又細節呈現的的效果，存儲深度決定了DSO同時分析高頻和低頻現象的能力，包括低速信號的高頻噪聲和高速信號的低頻調製。