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为什么示波器的存储深度很重要

2023-12-20 13:44:44 Joel Woodward  阅读:
当谈到示波器时,带宽、采样率和存储深度一直被认为是三个最重要的规格。存储深度决定了可以捕获和存储以供分析的波形数据量。更大的存储深度允许捕获更长的持续时间并保留更多的波形细节。这在分析复杂或间歇性信号、捕获罕见事件或执行深入分析和故障排除时特别有用。

当谈到示波器时,带宽、采样率和存储深度一直被认为是三个最重要的规格。存储深度决定了可以捕获和存储以供分析的波形数据量。更大的存储深度允许捕获更长的持续时间并保留更多的波形细节。这在分析复杂或间歇性信号、捕获罕见事件或执行深入分析和故障排除时特别有用。Lzgednc

采集内存和存储深度

采集内存也称为存储深度,是指示波器每次采集时可以存储的样本数量。它是通过将采样率(MSa/s)乘以捕获的时间来确定的。例如,1Mpts的采集内存意味着示波器可以在一个通道的单次采集中采集一百万个样本。即使多个通道同时采集相同数量的内存,采集内存仍为1Mpts。Lzgednc

作为标准购买的一部分,示波器通常附带预定数量的基本采集内存。过去,制造商生产了具有特定内存容量的不同版本的硬件。然而,在2000年代初,制造商采用了一种更具成本效益的方法——创建具有最深可用内存的单一硬件平台,这可以通过软件许可来实现。Lzgednc

这种方法允许用户从内存较少的低价示波器开始,然后根据需求的变化实现额外内存的许可。请务必参考数据手册来确定指定的内存值是仪器附带的基本内存还是与附加付费选项相关的最大值。Lzgednc

增加内存的好处是显而易见的,但有一个问题:更多的内存意味着更高的处理要求,这可能会导致整体操作速度变慢。Lzgednc

存储深度不是静态值

我们在购买任何仪器时,可能会发现一些有吸引力的规格是相互排斥的。这也适用于示波器制造商及其采集内存深度规格。由于示波器架构内的权衡,在某些示波器设置下可能无法使用提升的存储深度。Lzgednc

例如,一种常见的权衡涉及通道数量。示波器具有跨通道、参考波形和其他功能共享的固定数量的采集内存。当一半模拟通道处于活动状态时,通常适用最大内存规格,但对于共享相同处理和存储路径的每个活动通道,最大内存规格会减少两倍。例如,当仅通道1处于活动状态时,存储深度可能为4Mpts,但当通道2打开时,存储深度会降至每个通道2Mpts。Lzgednc

内存

不同示波器供应商对深内存的定义各不相同,并且随着时间的推移而不断发展。早期的数字示波器的内存测量单位为数百个点,在20世纪90年代增加到Kpts级别。现代示波器通常提供数十到数百Mpts的存储深度。供应商可能声称他们的仪器具有深内存。对于较旧的示波器型号来说尤其如此,这些型号在新推出时被认为是深的,但与当前的竞争产品(可能提供高达100倍的存储深度)相比,其存储深度较低。Lzgednc

深内存有利于各种类型的嵌入式硬件测试,在捕获长时间间隔时尤其有用。深内存使我们能够隔离可观察到的问题并将其追溯到其根源。它还有助于解决与电磁干扰(EMI)和串扰相关的复杂问题。Lzgednc

数字设计中常用的串行总线,如I2C、SPI、RS-232、CAN或LIN,可以通过深内存进行更有效的分析。虽然协议触发器有助于故障排除,但使多个突发数据或数据包可见通常需要捕获更大的时间跨度。然而,在降低采样率以捕获更多时间(存在总线采样不足的风险)和使用分段内存(限制了分析能力和段间可见性)之间存在着权衡。Lzgednc

在需要进一步分析的应用中,需要捕获尽可能多的信息并在随后进行分析。示波器工具和分析应用程序,以及将捕获的数据卸载到MATLAB或Python脚本,可以促进深入分析和洞察。Lzgednc

存储深度、采样率和带宽

存储深度、采样率和带宽是密切相关的规格。拥有更多的内存,可以使用户捕获特定的时间量或以给定的采样率延长捕获时间:Lzgednc

内存=采样率*捕获时间Lzgednc

随着存储深度的增加,用户可以保留所需的采样率,甚至使用更快的采样率来采集慢速和快速信号的组合。但是,通过将时基调整为较慢的设置来捕获更多时间时,存储深度会受到限制。超过此限制,仪器必须降低采样率,这可能会导致信号采样不足和混叠。这会导致无效的测量结果,并且用户可能不会意识到采样率不足以满足其示波器的额定带宽。Lzgednc

当采样率不足以满足额定带宽时,示波器不会提供通知,因此很难识别欠采样或混叠问题。采样率有限的示波器加剧了这一挑战。Lzgednc

更多的内存允许用户捕获更长的时间间隔,同时为快速信号保留足够的采样率。当用户想要捕获更长的时间间隔时,内存有限的示波器将不可避免地达到其最大内存容量。因此,仪器会做出权衡,降低采样率以适应指定的时间段。这意味着浅采集内存可能会导致采样率过低而无法正确捕获信号(参见1)。Lzgednc

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图1:更多内存意味着仪器可以在不降低采样率的情况下捕获更多时间。(图片来源:罗德与施瓦茨)Lzgednc

大多数示波器都具有默认内存限制,以防止启用深内存时出现性能问题。例如,一个供应商的默认限制可能为10Kpts,而另一供应商的默认限制可能为10Mpts,尽管这两个示波器都提供了更高的最大内存容量。Lzgednc

用户需要手动调整范围设置以更改默认限制并利用更多内存。这通常涉及访问手动采集设置对话框,在其中可以控制采样率等参数。Lzgednc

某些示波器可能不允许独立控制采样率、时基和存储深度,从而导致用户体验有限且解决方法有限。通常建议选择可以让用户独立控制所有三种设置并具有捕获离屏采集的优势的示波器。Lzgednc

分段存储

大多数示波器都提供分段存储模式,作为标准功能或可选升级。此模式对于捕获具有非活动周期的信号非常有用,例如串行总线或射频线性调频信号。在分段存储模式下,示波器通过仅捕获信号的活动部分来节省存储空间。与连续采集相比,这可以在更长的时间内进行单次捕获。Lzgednc

分段模式不能补偿浅内存。每个段的可用内存量等于最大内存除以段数。如2所示,具有更大存储深度的示波器可提供更强大的分段内存,从而允许更多分段、每分段更长的时间或更高的总体采样率。Lzgednc

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图2:分段存储仅保存触发事件周围的捕获窗口,以提高内存利用率。更多内存意味着更多分段、更高采样率或每个分段可采集更多时间。(图片来源:罗德与施瓦茨)Lzgednc

值得注意的是,分段存储模式有一些权衡。它是单次采集,在RUN重复模式下效果不佳。此外,查看测量结果涉及在多个采集屏幕之间移动,跨段分析通常存在局限性。Lzgednc

串行总线解码和内存

配备串行总线触发和解码应用程序的示波器,对于调试和测试非常有用。然而,深内存与捕获的数据包数量之间的相关性可能很难确定。每个协议都需要一定的采样率才能正确解码,而具有协议解码功能的深内存可能会导致示波器的处理资源紧张,从而使其运行缓慢。Lzgednc

下一代示波器(例如R&S MXO 4)通过智能架构解决了这个问题。例如,示波器可以具有用于协议解码的重复样本路径,从而实现双路径协议分析(参见3)。即使模拟采样率较慢,该技术也可以正确解码大量数据包。它还将协议数据包存储为数据包,这使得数据包信息数据库小得多,这意味着仪器将具有更快的更新速率和更好的响应能力。Lzgednc

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图3:R&S MXO 4系列示波器具有双路径协议分析功能。独立的数据包解码内存意味着仪器的响应速度更快,并且可捕获的最大数据包数量确定。(图片来源:罗德与施瓦茨)Lzgednc

存储深度的重要作用

存储深度在示波器性能中起着至关重要的作用,可用来捕获更长的时间间隔并保留波形细节。它通过促进串行总线协议的解码并提供全面的信号视图来增强硬件测试和分析。然而,有一些权衡需要考虑,例如处理要求的增加以及通道数量的潜在权衡。因此,在选择适合需求的示波器时,需要仔细比较制造商规格以做出明智的决定。Lzgednc

Joel Woodward罗德与施瓦茨(R&S)公司示波器产品规划师Lzgednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Why deep memory matters,由Franklin Zhao编译。)Lzgednc

本文为《电子技术设计》2023年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Lzgednc

责编:Ricardo
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