示波器存储深度应用

在致远电子示波器微信用户交流群中，我看到这样一些信息，有位用户的一个项目中需要用到多结点高速串行通信总线，使用CPLD作为收发控制器，总线设计速度为5Mbps，由于码率较高，所以他想测试下该总线信号的稳定性。手头刚好有一台ZDS2022示波器，因为之前已经了解到ZDS2022示波器存储深度高达112Mpts，所以想用它来试一试。为了测试信号的稳定性，特意把一帧数据调得很大，5Mbps，传输3秒钟。将时基设置为500ms，想把所有波形都记录下来慢慢分析。

　　他将存储深度设为自动后，在同一信号源下、不同时基下对采集的波形放大观察，结果发现波形不一样，这是怎么回事呢？

　　采样率与奈奎斯特采样原理

　　事实上，该问题的实质是涉及到了示波器的采样率问题，“采样”顾名思义，就是采集样本点，是在连续的模拟信号中采集离散的数字信号的样本点。通过测量相等时间间隔的电压波形幅值，并将此电压转化成用八位二进制表示的数字信息。采样电压之间的时间间隔越小，重建出来的波形就越接近原始波形。

　　图1 等间隔的采样

　　图2 示波器采样剖析示意图

　　在进行采样时，一定要遵守奈奎斯特采样原理，才能避免波形失真。奈奎斯特采样原理认为：对于具有最大频率fmax的信号而言，等距采样频率fs必须比最大频率fmax大两倍，这样才能重建唯一的信号而不产生波形混叠的现象。

　　图3 fs与fmax的几种比例示意图

　　由于奈奎斯特原理的前提是基于无限长时间和连续的信号，但是没有示波器可以提供无限时间的记录长度（示波器能够提供的最大点数，直接受存储深度的影响）；所以采用最高频率成分两倍的采样速率通常是不够的，实际应用中通常为5倍甚至更高。为了确保测量的准确性，通常要求示波器保持较高的采样率。

　　采样率与存储深度

　　在示波器测量波形时，有个重要的公式：存储深度=总捕获时间X采样率。其中捕获时间是有采样窗格决定的，当设定一个水平时基档位后，总捕获时间就是确定的，那么如果我想要更高的一个采样率，就必须保证有足够大的存储深度。正是考虑到这点，ZDS2022示波器为您在【Horiz】按键中，提供了可手动设置的最大到112Mpts的存储深度。您可以根据自己的需要，选择合适的存储深度。ZDS2022示波器的储存深度中有一个选项是自动，系统默认设置为自动，当您选择自动储存深度后，会出现一个自动最大值的选项，自动最大值默认设为1.4Mpts。

　　自动存储深度与自动最大值

　　现在先跟大家分享下这个自动存储深度和自动最大值，到底是怎么回事？

　　将储存深度设为自动时，当前示波器的储存深度就是当前屏幕上的波形数据，若当前屏幕上的波形数据大于自动最大值，则在屏幕右下方的存储深度就保持为自动最大值不变，否则，一旦存储深度不够，就会牺牲采样率。当采样率降低到不符合奈奎斯特采样原理时，采集到的波形就会出现问题，就像这位用户在群里跟我们交流的那样。其实，他一开始并没有进行大存储深度的设置，水平时基设为500ms/div时，由于存储深度只设为1.4Mpts，所以采样率降到了200KSa/s。

　　表1 存储深度为1.4Mpts时，不同时基的波形对比表

　　设置好触发条件后，按下【Single】键，放大波形至水平时基档位为2ms/div，由于该波形是在采样率为200KSa/s的情况下采集的，而被测总线设计速度为5Mbps，不满足奈奎斯特采样原理，所以会看到一段一段的波形。实际上，在低采样率下，如果时基很小，由于每帧数据量很少，“断开”位置的波形就会看不到，整体看上去就好像是“断开”的波形。而实际的总线波形并不是这样断开的。

　　于是该用户在我们的微信示波器用户交流群中及时提出疑惑，在研发同事的耐心解答后，在【Horiz】键中将储存深度设为56Mpts，尝试着将水平时基档位设为200ms/div，此时采样率为20MSa/s，为总线速度的4倍，显示波形放大到水平时基档位为500ns/div，波形并没有失真。

　　表2 存储深度为56Mpts时，不同时基的波形对比表

　　实际上，该种情况下我们是可以将存储深度设为112Mpts的，存储深度越大，在相同的捕获时间下，采样率就会越大，采样率一旦很大，则屏幕上重构的波形就越准确。