大家好，在致遠(yuǎn)電子示波器微信用戶交流群中，我看到這樣一些信息，有位用戶的一個(gè)項(xiàng)目中需要用到多結(jié)點(diǎn)高速串行通信總線，使用CPLD作為收發(fā)控制器，總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps，由于碼率較高，所以他想測(cè)試下該總線信號(hào)的穩(wěn)定性。手頭剛好有一臺(tái)ZDS2022示波器，因?yàn)橹耙呀?jīng)了解到ZDS2022示波器存儲(chǔ)深度高達(dá)112Mpts，所以想用它來(lái)試一試。為了測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性，特意把一幀數(shù)據(jù)調(diào)得很大，5Mbps，傳輸3秒鐘。將時(shí)基設(shè)置為500ms，想把所有波形都記錄下來(lái)慢慢分析。
他將存儲(chǔ)深度設(shè)為自動(dòng)后，在同一信號(hào)源下、不同時(shí)基下對(duì)采集的波形放大觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形不一樣，這是怎么回事呢？
采樣率與奈奎斯特采樣原理
事實(shí)上，該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是涉及到了示波器的采樣率問(wèn)題，“采樣”顧名思義，就是采集樣本點(diǎn)，是在連續(xù)的模擬信號(hào)中采集離散的數(shù)字信號(hào)的樣本點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量相等時(shí)間間隔的電壓波形幅值，并將此電壓轉(zhuǎn)化成用八位二進(jìn)制表示的數(shù)字信息。采樣電壓之間的時(shí)間間隔越小，重建出來(lái)的波形就越接近原始波形。
圖1 等間隔的采樣
圖2 示波器采樣剖析示意圖
在進(jìn)行采樣時(shí)，一定要遵守奈奎斯特采樣原理，才能避免波形失真。奈奎斯特采樣原理認(rèn)為：對(duì)于具有最大頻率fmax的信號(hào)而言，等距采樣頻率fs必須比最大頻率fmax大兩倍，這樣才能重建唯一的信號(hào)而不產(chǎn)生波形混疊的現(xiàn)象。
圖3 fs與fmax的幾種比例示意圖
由于奈奎斯特原理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的信號(hào)，但是沒(méi)有示波器可以提供無(wú)限時(shí)間的記錄長(zhǎng)度（示波器能夠提供的最大點(diǎn)數(shù)，直接受存儲(chǔ)深度的影響）；所以采用最高頻率成分兩倍的采樣速率通常是不夠的，實(shí)際應(yīng)用中通常為5倍甚至更高。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常要求示波器保持較高的采樣率。
采樣率與存儲(chǔ)深度
在示波器測(cè)量波形時(shí)，有個(gè)重要的公式：存儲(chǔ)深度=總捕獲時(shí)間X采樣率。其中捕獲時(shí)間是有采樣窗格決定的，當(dāng)設(shè)定一個(gè)水平時(shí)基檔位后，總捕獲時(shí)間就是確定的，那么如果我想要更高的一個(gè)采樣率，就必須保證有足夠大的存儲(chǔ)深度。正是考慮到這點(diǎn)，ZDS2022示波器為您在【Horiz】按鍵中，提供了可手動(dòng)設(shè)置的最大到112Mpts的存儲(chǔ)深度。您可以根據(jù)自己的需要，選擇合適的存儲(chǔ)深度。ZDS2022示波器的儲(chǔ)存深度中有一個(gè)選項(xiàng)是自動(dòng)，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為自動(dòng)，當(dāng)您選擇自動(dòng)儲(chǔ)存深度后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)最大值的選項(xiàng)，自動(dòng)最大值默認(rèn)設(shè)為1.4Mpts。
自動(dòng)存儲(chǔ)深度與自動(dòng)最大值
現(xiàn)在先跟大家分享下這個(gè)自動(dòng)存儲(chǔ)深度和自動(dòng)最大值，到底是怎么回事？
將儲(chǔ)存深度設(shè)為自動(dòng)時(shí)，當(dāng)前示波器的儲(chǔ)存深度就是當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù)，若當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù)大于自動(dòng)最大值，則在屏幕右下方的存儲(chǔ)深度就保持為自動(dòng)最大值不變，否則，一旦存儲(chǔ)深度不夠，就會(huì)犧牲采樣率。當(dāng)采樣率降低到不符合奈奎斯特采樣原理時(shí)，采集到的波形就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，就像這位用戶在群里跟我們交流的那樣。其實(shí)，他一開(kāi)始并沒(méi)有進(jìn)行大存儲(chǔ)深度的設(shè)置，水平時(shí)基設(shè)為500ms/div時(shí)，由于存儲(chǔ)深度只設(shè)為1.4Mpts，所以采樣率降到了200KSa/s。
表1 存儲(chǔ)深度為1.4Mpts時(shí)，不同時(shí)基的波形對(duì)比表
設(shè)置好觸發(fā)條件后，按下【Single】鍵，放大波形至水平時(shí)基檔位為2ms/div，由于該波形是在采樣率為200KSa/s的情況下采集的，而被測(cè)總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps，不滿足奈奎斯特采樣原理，所以會(huì)看到一段一段的波形。實(shí)際上，在低采樣率下，如果時(shí)基很小，由于每幀數(shù)據(jù)量很少，“斷開(kāi)”位置的波形就會(huì)看不到，整體看上去就好像是“斷開(kāi)”的波形。而實(shí)際的總線波形并不是這樣斷開(kāi)的。
于是該用戶在我們的微信示波器用戶交流群中及時(shí)提出疑惑，在研發(fā)同事的耐心解答后，在【Horiz】鍵中將儲(chǔ)存深度設(shè)為56Mpts，嘗試著將水平時(shí)基檔位設(shè)為200ms/div，此時(shí)采樣率為20MSa/s，為總線速度的4倍，顯示波形放大到水平時(shí)基檔位為500ns/div，波形并沒(méi)有失真。
表2 存儲(chǔ)深度為56Mpts時(shí)，不同時(shí)基的波形對(duì)比表
實(shí)際上，該種情況下我們是可以將存儲(chǔ)深度設(shè)為112Mpts的，存儲(chǔ)深度越大，在相同的捕獲時(shí)間下，采樣率就會(huì)越大，采樣率一旦很大，則屏幕上重構(gòu)的波形就越準(zhǔn)確。