關(guān)于示波器的存儲深度

我在一個高大上的公司做工程師的時候并不知道這個關(guān)系式，直到我后來賣示波器才知道有這么一個關(guān)系式，而且很重要。再追溯到我讀書的時候，當(dāng)然更不知道這個關(guān)系式。

做工程師的時候，我的老板告訴我，為了確保示波器能準(zhǔn)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，盡量讓示波器上只顯示一個脈沖。他的做法是不斷地調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，肉眼盯著示波器看，直到他調(diào)節(jié)觸發(fā)電平到足夠高（多少是足夠？），認(rèn)為某次“抓到”的峰值電壓應(yīng)該就是最大的了。 他為什么不同時捕獲更多的波形，只要確保采樣率是最大或者足夠就好了，再打開參數(shù)測量的統(tǒng)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，并斷定某一個波形就一定是最大的了。還好他會使用觸發(fā)電平的。我們小弟當(dāng)然也就相信他是權(quán)威啦，因為他當(dāng)時確實已經(jīng)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(shù)交流會的強(qiáng)大理由。工程師們不太愿意拿出1個小時聽聽示波器的基礎(chǔ)課程，總覺得這示波器很簡單，但其實對于示波器的ABC的認(rèn)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(qū)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(yè)程度基本能反應(yīng)一個公司的研發(fā)水平的。

那么今天我們花一點點時間快速閱讀一下這篇關(guān)于示波器存儲深度的“淺淺的”文章吧。為滿足大家快閱讀的需求，先將文章的標(biāo)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(zhì)
3，存儲深度和采樣率的關(guān)系
4，最大存儲深度，當(dāng)前設(shè)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(yīng)用價值

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存儲深度被稱為示波器的第三大指標(biāo)。存儲深度=采樣率*采樣時間。這個關(guān)系式被筆者稱為示波器的第一關(guān)系式。

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采樣點的個數(shù)。存儲深度是“1千萬個采樣點”，示波器廠商寫作10Mpts,10MS或10M的都有。這里，pts可以理解為points的縮寫，S理解為Samples的意思。

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(dá)到存儲深度的極限之后怎么辦？ 我們可以將示波器的存儲器理解為環(huán)形存儲器。示波器不斷采樣得到新的采樣點會填充進(jìn)來，老的采樣點會自動地溢出，這樣周而復(fù)始的過程直到示波器被“觸發(fā)信號”“叫停”或者間隔一定長的時間被強(qiáng)迫“叫停”為止。“叫停”一次，示波器就將存儲器中保存的這些采樣點“搬移”到示波器的屏幕上顯示。這兩次“搬移”之間等待的時間相對于采樣的時間極其漫長，被稱為“死區(qū)時間”。

上述過程經(jīng)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”以恒定的速度對水缸注水，水龍頭的水流速度就是“采樣率”。當(dāng)水缸已經(jīng)被注滿水之后，水龍頭仍然在對水缸注水，水缸里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，水缸里的水將被全部倒出來，周而復(fù)始。圖1形象地表示了這種環(huán)形存儲器的概念。

圖1 示波器的環(huán)形存儲器

2，示波器存儲器的物理介質(zhì)

存儲器的物理介質(zhì)是什么? 是否就是我們熟悉的DDR內(nèi)存呢? 容量為什么那么?。繛槭裁床豢梢杂糜脖P或者SD卡等大容量介質(zhì)作為物理介質(zhì)呢？ 如果是硬盤作為存儲介質(zhì)，示波器不就可以作為數(shù)據(jù)記錄儀了嗎？

回答上述問題其實并不容易！

據(jù)筆者了解，早期的示波器包括現(xiàn)在的高帶寬示波器使用的存儲器都是示波器廠商自己設(shè)計的專用芯片，甚至一度存儲器芯片和ADC芯片之間的配合是A公司（后來叫K公司）的一個技術(shù)瓶頸。在若干年之前，K公司的所有示波器在存儲深度達(dá)到每通道2Mpts采樣點之后，采樣率會自動降低到4GS/s，直到2006年（好象是這個年份，也許更晚點），當(dāng)年的A公司收購了某芯片公司才解決這個技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)在K公司的低帶寬示波器的所有系列中，存儲深度指標(biāo)一直不能突破每通道2Mpts，我猜想它可能采用的還是老款芯片。

對于高端示波器，存儲器芯片一直是核心技術(shù)，對于里面的技術(shù)細(xì)節(jié)筆者知之甚少。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”那么大量的數(shù)據(jù)量。

還是用具體的數(shù)字來理解高速ADC的超大數(shù)據(jù)量對存儲器“吞吐量”提出的要求。譬如ADC的采樣率是20GS/s，也就是說每秒鐘要采樣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(shù)據(jù)的傳輸?shù)酱鎯ζ髦?，那么傳輸速率就?60Gbps。這是什么概念？ 現(xiàn)在的PCI-Express 3.0的速率是 8Gbps，最高速的高速芯片在單板上傳輸速率能達(dá)到25Gbps，但還不成熟，也沒有用到示波器上。高速ADC的采樣點怎么傳輸?shù)酱鎯ζ髦校@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2.5GS/s或1.25GS/s，250MS/s的“小的”ADC“交織拼接”實現(xiàn)的。既然不完全是串行的方式實現(xiàn)，采用并行傳輸之后，傳輸?shù)酱鎯ζ鞯臄?shù)據(jù)又怎么校準(zhǔn)、對齊，再通過觸發(fā)機(jī)制規(guī)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(fā)展到今天這方面門檻談不上多高,但還是有那么一點點的。

大家可能又會問另外一個問題，存儲器的數(shù)據(jù)又是怎么傳輸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(shù)據(jù)處理的架構(gòu)。隨著示波器技術(shù)的發(fā)展，目前存在的兩種架構(gòu)，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，但顯示的采樣點數(shù)和分析的采樣點數(shù)可能只有千分之幾，這主要取決于FPGA的“計算資源”或者說取決于成本，換句話說，取決于示波器產(chǎn)品的定義了。當(dāng)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(yōu)勢。在這類產(chǎn)品中，在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，這有時侯確是讓人很糾結(jié)的。

3，存儲深度和采樣率的關(guān)系
存儲深度=采樣率*采樣時間。筆者一直執(zhí)著地將它稱為示波器中的第一關(guān)系式，因為很多工程師在使用示波器過程中因為忘記這個關(guān)系式而產(chǎn)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(shù)值50MS/s和20ms/div相乘，再乘以10，就等于左邊的數(shù)10MS。當(dāng)前采樣率為50MS/s，當(dāng)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），因此采樣時間為200ms, 50MS/s * 200ms = 10MS。就是說以50MS/s的采樣率捕獲200ms的波形，需要示波器的存儲幅度是10MS。這和水缸里面注水是一個概念，如果“水龍頭”的流速是每秒5千萬（50M）滴水，那么持續(xù)向“水缸”注水200ms，水缸中就有了1千萬（10M）滴水了。 就是這么簡單的乘積關(guān)系。