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示波器记录长度的作用,是不是越大越好?

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有一位朋友复购了一台示波器,但是他表示这台新购的示波器有问题,原因是他测量一个同样的信号和之前的示波器很不一样,方波失真比较严重。如下图所示是他用新购的示波器测量的信号,可以看到确实方波有点变成了梯形。

而他之前使用老的那台示波器测出来的效果是这样的,可以看到确实差别很大,那么真的是这台复购的示波器有问题吗?

我们注意观察到,第一张图中示波器的当前采样率是500KSa/s,而第二张图示波器的当前采样率是500MSa/s,足足差了一千倍!虽然测量的信号是同一个信号,但是测量的条件显然不同。

这个时候有人就要问了,同样的示波器,采样率怎么不一样了?很多新人第一次选择示波器的时候,往往只会关注示波器的带宽和采样率,很多示波器厂家也会把这两项指标放在最前面,这并没有什么错误,但是很多新手并不知道,示波器的采样率并不是一个固定不变的值,它会随着存储深度大小的设置以及采集时间的变化而改变。我们之前的文章《不同采样率对波形的影响-示波器实测案例分析》也以实际案例演示的方式说明了这一点。

存储深度是一个数字示波器才有的概念,模拟示波器是不存在这个参数的。进入数字示波器的信号经过前端放大器,再经过模数转换器,通过触发系统将采集到的信号存入存储器中,最后对这些数据进行处理显示在屏幕上。这个过程中存储器的容量就是表现数字示波器存储深度大小的物理介质。

存储深度(memory depth)同时也叫记录长度(record depth),一般指标写作28Mpts,代表有二千八百万个采样点(pts=points)。存储深度和采样率以及波形记录时长,满足如下公式:采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长

由此可见,示波器要想保证长时基记录下采样率不减小,就必须有足够的存储深度。而采样率也是保证信号不失真的重要指标之一。那么,什么时候需要大的存储深度呢?显然是需要长时间记录一段波形的时候,比如电源纹波和电源噪声的测量、信号的FFT分析、扩频时钟分析等,还有发现随机或罕见的信号也可以用长时基的方式来解决。

那么,存储深度是不是越大就越好呢?显然不是,示波器的存储深度选择有一个自动模式,在这个模式下示波器会保证采样率足够的前提下,尽量的选最小的存储深度。比如当示波器记录140ms波形,采样率要保证2GSa/s,那么存储深度就必须是280M;但如果只记录14ms的波形,那么28M存储深度就可以满足2GSa/s的采样率了。这个时候,即使我们设置280M的存储深度,采样率也不会改变,因为示波器的最大采样率也是固定的。示波器记录的波形点越多,那么运算的压力也就越大,这会影响示波器的性能,比较明显的结果就是波形捕获率的降低,存储深度自动模式会在存储深度和运行性能上找到一个平衡点,尽量保证波形不失真,又不影响示波器运行性能。

因此当我们选择示波器的时候,还要观察示波器在大存储深度下的运行性能,是否依然流畅,采集是否依然实时。笔者遇到过比较夸张的示波器,存储深度调大以后,示波器采集一屏幕的波形要等待10几分钟甚至半小时,这显然不是我们期待的结果。

当然,示波器大存储深度的好处,除了记录长时间的波形以外,还可以配合分段存储功能,在足够的采样率下捕获多个波形事件,以便进行有效的分析,帮助测试者捕获偶发信号和更优化地保存和显示所需的数据。

当我们测量一个信号的时候,可能有很大一部分是无用信息,我们根本不需要记录。但是这段信息却会占用存储深度。分段存储的功能就是帮助我们去除不需要看的波形片段,只保留我们需要看的波形片段,以此最大化的利用存储深度,具体的操作可以参考我们之前的文章《数字示波器分段存储功能的作用和用法》。