示波器那些事兒--之存儲深度

存儲深度表現(xiàn)在物理介質(zhì)上其實是某種存儲器的容量，存儲器容量的大小也就是存儲深度。示波器采集的樣點存入到存儲器里面，當(dāng)存儲器保存滿了，老的采樣點會自動溢出，示波器不斷采樣得到的新的采樣點又會填充進(jìn)來，就這樣周而復(fù)始，直到示波器被觸發(fā)信號“叫停”，每“叫停”一次，示波器就將存儲器中保存的這些采樣點“搬移”到示波器的屏幕上進(jìn)行顯示，這兩次“搬移”之間等待的時間被稱為“死區(qū)時間”。有個形象的比喻，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”以恒定的速度對水缸注水，水龍頭的水流速就是“采樣率”，當(dāng)水缸已經(jīng)被注滿水后，水龍頭仍然在對水缸注水，這時候水缸里的水有一部分就會溢出來，但水缸的總體容量是保持不變的。

存儲深度=采樣率 × 采樣時間，對于數(shù)字示波器，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(guān)系。同時采樣率跟時基（timebase）是一個聯(lián)動的關(guān)系，也就是調(diào)節(jié)時基檔位越小采樣率越高。存儲速度等效于采樣率，存儲時間等效于采樣時間，采樣時間由示波器的顯示窗口所代表的時間決定。譬如當(dāng)時基選擇10μs/div，因為水平軸是10格（有些示波器是12格或14格），因此采樣時間為100μs，在1Mpts的存儲深度下，當(dāng)前的實際采樣率為1M÷100μs =10 GS/s , 如果存儲深度只有250Kpts，那當(dāng)前的實際采樣率就只要2.5GS/s了。

某些廠商制造的示波器，當(dāng)前的最大存儲深度可以在菜單中設(shè)置。一旦設(shè)置好當(dāng)前的最大存儲深度之后，調(diào)節(jié)水平時基，隨著采樣時間的增加，示波器的存儲深度會自動增加，這個過程中采樣率保持不變；存儲深度隨采樣時間增加到當(dāng)前設(shè)置的最大存儲深度后，如果繼續(xù)增加采樣時間，采樣率會自動下降，存儲深度保持不變。但是在有些情況下，因為采樣率和采樣時間的步進(jìn)是在固定的若干個檔位下跳變，并不是連續(xù)細(xì)調(diào)的，兩者相乘不一定和最大存儲深度的數(shù)值相同，這時候示波器可能會自動調(diào)整當(dāng)前的采樣率或存儲深度，使得它們?nèi)邼M足乘積關(guān)系。

由存儲關(guān)系式知道：提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率，當(dāng)要測量較長時間的波形時，由于存儲深度是固定的，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。

下圖中第一個圖形表明在采樣率足夠的前提下，觀察多個周期的樣本，需要的存儲深度很長，圖示中需要36個采樣點。第二個圖形采樣率依然保持方便，但存儲深度變小，只有9個采樣點，因此只能采樣一個周期多點的波形。第三個波形仍然是存儲深度很小，只有9個采樣點，但仍然要采樣和第一個圖形一樣多個周期的波形，其結(jié)果是采樣率變小，測量得到的波形就會失真。

對于高端示波器，存儲器芯片一直是核心技術(shù)，示波器中的ADC速率太快，普通的存儲介質(zhì)根本來不及在這么短的時間內(nèi)“吞吐”那么大的數(shù)據(jù)量。譬如ADC的采樣速率是20GS/s，也就是說每秒要采集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(shù)據(jù)傳送到存儲器中，那么傳輸速率就是160Gbps，現(xiàn)在的PCI-Express 3.0的速率是8 Gbps，最高速的高速芯片在單板上傳輸?shù)乃俾适?5 Gbps，但還不成熟，也沒用到示波器上，高速的ADC采樣點怎么傳輸?shù)酱鎯ζ髦?，這是一個難題。其實，這么高速的ADC也不可能是單芯片設(shè)計的，內(nèi)部是由很多的2.5GS/s或1.25S/s、250MS/s的小的ADC交織拼接的。

隨著示波器技術(shù)的發(fā)展，目前存在兩種架構(gòu)模式，一種是基于PC平臺的，另外一種是嵌入式的，主要是基于FPGA實現(xiàn)的。隨著DDR內(nèi)存速率的提高和FPGA計算能力的增強(qiáng)，現(xiàn)在基于FPGA計算平臺的存儲器芯片已經(jīng)不再神秘，多是采用工業(yè)上的DDR內(nèi)存顆粒了，因此存儲深度這個指標(biāo)在不顧及存儲的采樣點是否真實的被顯示、被分析的情況下，可以做的特別大了。但往往真實情況是，雖然存儲深度很高，但顯示的采樣點數(shù)和分析的采樣點數(shù)可能只有千分之幾，在這類產(chǎn)品中，屏幕上看到的波形對應(yīng)的存儲深度并不等于采樣率乘以采樣時間。

示波器多個通道同時工作時，采樣率和存儲深度可以工作在疊加模式。多數(shù)示波器是2個通道疊加，也有的是4個通道疊加。下圖表示的是兩個通道疊加使用的工作原理示意圖：

通道1和通道2交替采樣，一個通道延遲1/2的采樣周期使得采樣率加倍，示波器在采樣過程中交替讀取存儲器中的采樣點，整體存儲深度也相應(yīng)加倍。因此，為了獲得最大的采樣率和存儲深度，在只使用兩個通道進(jìn)行測量時，對于兩兩疊加的模式，建議只打開1、2通道中的一個，3、4通道中的一個。

現(xiàn)代示波器的存儲深度雖然很高，動輒捕獲成千上萬個數(shù)據(jù)樣本，可是示波器的顯示屏在水平方向上的圖象分辨率往往只有1280個甚至更少的像素。示波器如何將那么多的點擠在這么小的屏幕上顯示出來呢？顯示的壓縮算法解決了這個問題。壓縮算法將捕獲的大量數(shù)據(jù)樣本分成很多小段，每一段只抽取最大值和最大值的數(shù)據(jù)點顯示在屏幕上。這種壓縮算法在顯示上加重了信號的峰峰值在視覺上的效應(yīng)，表現(xiàn)為波形看起來比展開之后的局部放大的沒有被壓縮的波形有更多的噪聲，波形軌跡顯得更粗。但是，也有些示波器即使采用了顯示壓縮算法，但屏幕上顯示的存儲深度并不等于當(dāng)前的采樣率乘以采樣時間。屏幕上顯示的只是部分波形，對應(yīng)的是“采樣時間”的一部分，還有一部分“采樣時間”在屏幕的“外部”，需要旋轉(zhuǎn)示波器面板上的“position”鍵，將屏幕外面采集的波形“移動”到屏幕顯示的窗口。

有些低頻信號中有高頻噪聲，有些高速信號中包含了低頻調(diào)制，有些信號的變化過程非常緩慢，有些分析本身只有樣本數(shù)足夠多才有意義，這四種情況下都需要長存儲。前兩種情況都需要將感興趣的低頻成分完整的捕獲下來才能進(jìn)行有意義的分析。在很多的實際應(yīng)用中都屬于上述四種長存儲的應(yīng)用范疇，例如電源軟啟動過程的測量、電源紋波和電源噪聲的測量、FFT分析、擴(kuò)頻時鐘分析、發(fā)現(xiàn)隨機(jī)或罕見的錯誤等等。