示波器那些事兒--之存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度表現(xiàn)在物理介質(zhì)上其實(shí)是某種存儲(chǔ)器的容量，存儲(chǔ)器容量的大小也就是存儲(chǔ)深度。示波器采集的樣點(diǎn)存入到存儲(chǔ)器里面，當(dāng)存儲(chǔ)器保存滿了，老的采樣點(diǎn)會(huì)自動(dòng)溢出，示波器不斷采樣得到的新的采樣點(diǎn)又會(huì)填充進(jìn)來(lái)，就這樣周而復(fù)始，直到示波器被觸發(fā)信號(hào)“叫停”，每“叫停”一次，示波器就將存儲(chǔ)器中保存的這些采樣點(diǎn)“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(shí)間被稱為“死區(qū)時(shí)間”。有個(gè)形象的比喻，存儲(chǔ)器就像一個(gè)“水缸”，“水缸”的容量就是“存儲(chǔ)深度“，如果使用一個(gè)“水龍頭”以恒定的速度對(duì)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(duì)水缸注水，這時(shí)候水缸里的水有一部分就會(huì)溢出來(lái)，但水缸的總體容量是保持不變的。

存儲(chǔ)深度=采樣率 × 采樣時(shí)間，對(duì)于數(shù)字示波器，其最大存儲(chǔ)深度是一定的，但是在實(shí)際測(cè)試中所使用的存儲(chǔ)長(zhǎng)度卻是可變的。 在存儲(chǔ)深度一定的情況下，存儲(chǔ)速度越快，存儲(chǔ)時(shí)間就越短，他們之間是一個(gè)反比關(guān)系。同時(shí)采樣率跟時(shí)基（timebase）是一個(gè)聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，也就是調(diào)節(jié)時(shí)基檔位越小采樣率越高。存儲(chǔ)速度等效于采樣率，存儲(chǔ)時(shí)間等效于采樣時(shí)間，采樣時(shí)間由示波器的顯示窗口所代表的時(shí)間決定。譬如當(dāng)時(shí)基選擇10μs/div，因?yàn)樗捷S是10格（有些示波器是12格或14格），因此采樣時(shí)間為100μs，在1Mpts的存儲(chǔ)深度下，當(dāng)前的實(shí)際采樣率為1M÷100μs =10 GS/s , 如果存儲(chǔ)深度只有250Kpts，那當(dāng)前的實(shí)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(chǔ)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(chǔ)深度之后，調(diào)節(jié)水平時(shí)基，隨著采樣時(shí)間的增加，示波器的存儲(chǔ)深度會(huì)自動(dòng)增加，這個(gè)過(guò)程中采樣率保持不變；存儲(chǔ)深度隨采樣時(shí)間增加到當(dāng)前設(shè)置的最大存儲(chǔ)深度后，如果繼續(xù)增加采樣時(shí)間，采樣率會(huì)自動(dòng)下降，存儲(chǔ)深度保持不變。但是在有些情況下，因?yàn)椴蓸勇屎筒蓸訒r(shí)間的步進(jìn)是在固定的若干個(gè)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(chǔ)深度的數(shù)值相同，這時(shí)候示波器可能會(huì)自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前的采樣率或存儲(chǔ)深度，使得它們?nèi)邼M足乘積關(guān)系。

由存儲(chǔ)關(guān)系式知道：提高示波器的存儲(chǔ)深度可以間接提高示波器的采樣率，當(dāng)要測(cè)量較長(zhǎng)時(shí)間的波形時(shí)，由于存儲(chǔ)深度是固定的，所以只能降低采樣率來(lái)達(dá)到，但這樣勢(shì)必造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲(chǔ)深度，則可以以更高的采樣率來(lái)測(cè)量，以獲取不失真的波形。

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

對(duì)于高端示波器，存儲(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)根本來(lái)不及在這么短的時(shí)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(shuō)每秒要采集20G個(gè)點(diǎn)，而每個(gè)點(diǎn)是由8個(gè)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(chǔ)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(méi)用到示波器上，高速的ADC采樣點(diǎn)怎么傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器中，這是一個(gè)難題。其實(shí)，這么高速的ADC也不可能是單芯片設(shè)計(jì)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(tái)的，另外一種是嵌入式的，主要是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的。隨著DDR內(nèi)存速率的提高和FPGA計(jì)算能力的增強(qiáng)，現(xiàn)在基于FPGA計(jì)算平臺(tái)的存儲(chǔ)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(chǔ)深度這個(gè)指標(biāo)在不顧及存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)是否真實(shí)的被顯示、被分析的情況下，可以做的特別大了。但往往真實(shí)情況是，雖然存儲(chǔ)深度很高，但顯示的采樣點(diǎn)數(shù)和分析的采樣點(diǎn)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(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)深度并不等于采樣率乘以采樣時(shí)間。

示波器多個(gè)通道同時(shí)工作時(shí)，采樣率和存儲(chǔ)深度可以工作在疊加模式。多數(shù)示波器是2個(gè)通道疊加，也有的是4個(gè)通道疊加。下圖表示的是兩個(gè)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(gè)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(guò)程中交替讀取存儲(chǔ)器中的采樣點(diǎn)，整體存儲(chǔ)深度也相應(yīng)加倍。因此，為了獲得最大的采樣率和存儲(chǔ)深度，在只使用兩個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)于兩兩疊加的模式，建議只打開(kāi)1、2通道中的一個(gè)，3、4通道中的一個(gè)。

現(xiàn)代示波器的存儲(chǔ)深度雖然很高，動(dòng)輒捕獲成千上萬(wàn)個(gè)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(gè)甚至更少的像素。示波器如何將那么多的點(diǎn)擠在這么小的屏幕上顯示出來(lái)呢？顯示的壓縮算法解決了這個(gè)問(wèn)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(diǎn)顯示在屏幕上。這種壓縮算法在顯示上加重了信號(hào)的峰峰值在視覺(jué)上的效應(yīng)，表現(xiàn)為波形看起來(lái)比展開(kāi)之后的局部放大的沒(méi)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(chǔ)深度并不等于當(dāng)前的采樣率乘以采樣時(shí)間。屏幕上顯示的只是部分波形，對(duì)應(yīng)的是“采樣時(shí)間”的一部分，還有一部分“采樣時(shí)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(dòng)”到屏幕顯示的窗口。

有些低頻信號(hào)中有高頻噪聲，有些高速信號(hào)中包含了低頻調(diào)制，有些信號(hào)的變化過(guò)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(zhǎng)存儲(chǔ)。前兩種情況都需要將感興趣的低頻成分完整的捕獲下來(lái)才能進(jìn)行有意義的分析。在很多的實(shí)際應(yīng)用中都屬于上述四種長(zhǎng)存儲(chǔ)的應(yīng)用范疇，例如電源軟啟動(dòng)過(guò)程的測(cè)量、電源紋波和電源噪聲的測(cè)量、FFT分析、擴(kuò)頻時(shí)鐘分析、發(fā)現(xiàn)隨機(jī)或罕見(jiàn)的錯(cuò)誤等等。