ZDS2022示波器百集实操视频之98:存储深度应用实例

大家好,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。

致远电子最新研发设计的ZDS2024 Plus,存储深度更是升级!突破了112Mpts!存储深度任性高达250Mpts!真是深深不息!再一次重新定义了示波器!致远电子用心为您解决每一个问题,您对我们示波器的任何疑惑与建议都将成为我们宝贵的财富!