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2019-12-30 
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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(shí)間。這個(gè)關(guān)系式被筆者稱為示波器的第一關(guān)系式。 
存儲深度被稱為數(shù)字示波器的第三大指標(biāo)。存儲深度=采樣率*采樣時(shí)間。這個(gè)關(guān)系式被筆者稱為數(shù)字示波器的第一關(guān)系式。
1、存儲深度的基本概念
“存儲深度”是個(gè)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(diǎn)的個(gè)數(shù)。存儲深度是“1千萬個(gè)采樣點(diǎn)”，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(shí)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(diǎn)會填充進(jìn)來，老的采樣點(diǎn)會自動(dòng)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(shí)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(diǎn)“搬移”到示波器的屏幕上顯示。這兩次“搬移”之間等待的時(shí)間相對于采樣的時(shí)間極其漫長，被稱為“死區(qū)時(shí)間”。
上述過程經(jīng)常被筆者這樣打比方：存儲器就像一個(gè)“水缸”，“水缸”的容量就是“存儲深度”。如果使用一個(gè)“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 數(shù)字示波器的環(huán)形存儲器
2、數(shù)字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? 容量為什么那么小?為什么不可以用硬盤或者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(shí)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(jì)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(gè)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(diǎn)之后，采樣率會自動(dòng)降低到4GS/s，直到2006年(好象是這個(gè)年份，也許更晚點(diǎn))，當(dāng)年的A公司收購了某芯片公司才解決這個(gè)技術(shù)瓶頸。現(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(shí)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(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)的傳輸?shù)酱鎯ζ髦校敲磦鬏斔俾示褪?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(diǎn)怎么傳輸?shù)酱鎯ζ髦校@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2.5GS/s或1.25GS/s，250MS/s的“小的”ADC“交織拼接”實(shí)現(xiàn)的。既然不完全是串行的方式實(shí)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(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)點(diǎn)的。
大家可能又會問另外一個(gè)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(gè)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(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(gè)指標(biāo)，在不顧及存儲的采樣點(diǎn)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(shí)情況是，雖然存儲深度很高，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，這主要取決于FPGA的“計(jì)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(shí)間，這有時(shí)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(shí)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?yàn)楹芏喙こ處熢谑褂檬静ㄆ鬟^程中因?yàn)橥涍@個(gè)關(guān)系式而產(chǎn)生錯(cuò)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(gè)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(shí)基為20ms/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(gè)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。
圖2 鼎陽科技SDS3000的顯示界面
這個(gè)第一關(guān)系式被數(shù)字示波器廠商用很多美妙的比喻來強(qiáng)化。其中最經(jīng)典的一個(gè)比方和“蒙娜麗莎那迷人的微笑”有關(guān)：當(dāng)存儲深度太低的時(shí)候，也就相當(dāng)于數(shù)碼相機(jī)的像素太低，拍攝這個(gè)名畫的照片就無法生動(dòng)復(fù)現(xiàn)蒙娜麗莎那迷人的微笑，但是卻能夠逼真地拍攝出蒙娜麗莎那俏麗的鼻子，因?yàn)榕臄z迷人的微笑需要拍攝完整的面部，需要更高的像素，而鼻子只是局部，像素的要求并不高。
圖3的示意圖也清晰地演繹了這個(gè)關(guān)系式的重要性。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，需要的存儲深度深度很長，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不變，但存儲深度變小，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，測量得到的波形就會失真。
圖3 采樣率和存儲深度之間關(guān)系的演繹
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
每臺示波器標(biāo)配的最大存儲深度和加了選件之后的最大存儲深度可能不一樣。 每臺示波器的最大存儲深度受到物理介質(zhì)限制。 已經(jīng)購買的示波器最大存儲深度需要在菜單中設(shè)置。示波器廠商為了追求操作體驗(yàn)，出廠默認(rèn)的存儲深度往往并不是這臺示波器可達(dá)到的最大存儲深度。
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(shí)基，隨著采樣時(shí)間的增加，示波器的存儲深度會自動(dòng)增加，這個(gè)過程中采樣率保持不變; 存儲深度隨采樣時(shí)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(shí)間，采樣率會自動(dòng)下降，存儲深度保持不變。但是，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深度的數(shù)值相同，這時(shí)候示波器可能會自動(dòng)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。如圖4所示用具體數(shù)值演繹了這三者之間的乘積關(guān)系。
圖4 存儲深度、采樣率、采樣時(shí)間(水平時(shí)基)之間的關(guān)系
數(shù)字示波器多個(gè)通道同時(shí)工作時(shí),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(gè)通道疊加，也有的是4個(gè)通道疊加。如圖5所示表示兩個(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器中的采樣點(diǎn)，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(gè)通道進(jìn)行測量時(shí)，對于兩兩疊加的模式，建議只打開1、2通道中的一個(gè)，3、4通道中的一個(gè)。
圖5 數(shù)字示波器兩個(gè)通道工作在疊加模式示意圖
現(xiàn)代示波器的存儲深度雖然很高，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像分辨率往往只有1280個(gè)甚至更少的像素。示波器是如何將那么多的點(diǎn)擠在這么小的屏幕上顯示出來的呢? 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，如圖6所示，顯示屏幕上只顯示了捕獲的1K-1M數(shù)據(jù)樣本的770個(gè)樣本，最大值和最小值點(diǎn)成對地顯示在屏幕上。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。
圖6 壓縮算法的簡單圖示
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(shí)間。屏幕上顯示的只是部分波形，對應(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。這是很令人糾結(jié)的。
有些示波器不只是無法通過壓縮算法完整地顯示捕獲到的數(shù)據(jù)，也更無法對捕獲到的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整地測量和分析。這正是泰克示波器的一大“通病”。這類示波器即使存儲深度很大，但對用戶的實(shí)用價(jià)值并不是很大，波形只是被壓縮地“堆積”在那里讓用戶看一下“大概”。鼎陽科技的智能示波器SDS3000沒有這樣的問題。請看下面的圖7和圖8就一目了然!圖7中鼎陽科技SDS3000測量脈寬變化的信號，脈寬最小值13.9ns，最大值399.8898us，和實(shí)際相符; 圖8中使用泰克MDO3000測量脈寬變化的信號，脈寬最小值37.32us，最大值37.52us。肉眼看到屏幕上的最小脈寬只有13.9ns左右，在屏幕中間，但是泰克示波器無法測量出來。
圖7 鼎陽科技SDS3000測量脈寬變化的信號，脈寬最小值13.9ns，最大值399.8898us，和實(shí)際相符
圖8 泰克MDO3000測量脈寬變化的信號，脈寬最小值37.32us，最大值37.52us。肉眼看到屏幕上的最小脈寬在屏幕中----間，但是無法測量出來
5、存儲深度的應(yīng)用價(jià)值
有些低頻信號中有高頻噪聲，有些高速信號包含了低頻調(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。 而前兩種情況都需要將感興趣的低頻成分完整地捕獲下來，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的應(yīng)用范疇,如電源軟啟動(dòng)過程的測量，電源紋波和電源噪聲的測量， 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，統(tǒng)計(jì)分析，抖動(dòng)追蹤分析，眼圖，等。關(guān)于這方面有非常多的應(yīng)用文檔，該文不再細(xì)述。
