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，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，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，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呢？顯示的壓縮算法解決了這個(gè)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(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(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(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存儲(chǔ)的應(yīng)用范疇，例如電源軟啟動(dòng)過程的測(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)或罕見的錯(cuò)誤等等。