采集內(nèi)存的重要性

數(shù)字化儀和示波器最重要的規(guī)格是帶寬和采樣率。采集內(nèi)存長(zhǎng)度不是首要規(guī)格，但它確實(shí)會(huì)顯著影響帶寬和采樣率。

包括數(shù)字化儀和示波器在內(nèi)的數(shù)字化儀器，在捕獲到數(shù)據(jù)后會(huì)將其存儲(chǔ)在儀器的采集內(nèi)存中。該內(nèi)存位于儀器的數(shù)字化儀之后，并以數(shù)字化速率運(yùn)行。采集內(nèi)存的大小會(huì)影響儀器的采樣率、最大記錄長(zhǎng)度和處理速度。設(shè)置內(nèi)存的大小代表了始終存在的工程權(quán)衡之一。

從基礎(chǔ)開始，示波器或數(shù)字化儀的最大采樣率必須大于該儀器模擬帶寬的2倍。這是主導(dǎo)所有數(shù)字化儀器的奈奎斯特準(zhǔn)則的聲明。由于前端頻率響應(yīng)通常具有有限的滾降，因此將采樣率設(shè)置為高于標(biāo)稱帶寬的兩倍，就可以最大限度地減少這些潛在帶外信號(hào)的混疊。通常，數(shù)字化儀器所使用的最小采樣率與帶寬比至少為2.5:1。

采集記錄長(zhǎng)度，即采集信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，與所用采集內(nèi)存的長(zhǎng)度成正比，可以用以下公式來表示：

Trec = N * tS = N/fS

其中：

Trec是采集信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，以秒(s)為單位；

N是采集內(nèi)存的長(zhǎng)度，以樣本(S)為單位；

tS是采樣周期(s/S)，以秒/樣本(s/S)為單位；

fS是采樣率，也即采樣周期的倒數(shù)，以樣本/秒(S/s)為單位。

采集的持續(xù)時(shí)間等于內(nèi)存樣本數(shù)或點(diǎn)數(shù)乘以采樣周期或除以采樣率。

大多數(shù)示波器中的采集內(nèi)存都是以模塊的形式并以1、2、2.5和5的倍數(shù)來提供的；這樣的設(shè)置與互補(bǔ)可用的采樣率相結(jié)合，就可以使每格時(shí)間設(shè)置成為1、2和5的倍數(shù)。其目的是通過計(jì)算格點(diǎn)數(shù)并將其乘以易于計(jì)算的因子，從而在屏幕上輕松讀取時(shí)間測(cè)量結(jié)果。

隨著示波器每格時(shí)間設(shè)置的增加，采集時(shí)間增加，內(nèi)存也就增加，采集和持續(xù)時(shí)間也就成比例增加。當(dāng)內(nèi)存長(zhǎng)度達(dá)到其最大限制時(shí)，增加記錄長(zhǎng)度的唯一方法是降低采樣率，如圖1所示。

圖1：此圖顯示了以最大內(nèi)存長(zhǎng)度作為參數(shù)，采樣率隨每格時(shí)間設(shè)置的變化情況

該圖顯示，在最大采樣率為10GS/s的情況下，增加設(shè)備的每格時(shí)間設(shè)置，可使采樣率保持在最大值，直到達(dá)到最大采集內(nèi)存。進(jìn)一步增加每格時(shí)間設(shè)置則會(huì)導(dǎo)致采樣率下降。圖中顯示了最大內(nèi)存長(zhǎng)度為50MS、5MS和500kS的圖形。顯而易見并且值得注意的是，隨著采集時(shí)間的增加，可用的采集內(nèi)存越多，最大采樣率可保持的時(shí)間就越長(zhǎng)。

一旦采樣率開始下降，用戶就必須了解儀器的有效帶寬。數(shù)字化儀器的有效帶寬是模擬帶寬或采樣率的一半中的較小者。因此，以1GS/s采樣率運(yùn)行的1GHz示波器，其有效帶寬就為500MHz。任何高于500kHz的信號(hào)分量都會(huì)被混疊。還要記住，儀器的時(shí)間分辨率現(xiàn)在降低了。如果要對(duì)下降時(shí)間等與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，則精度可能會(huì)受到影響。如果測(cè)量邊緣上只有幾個(gè)樣本，則該邊緣的斜率就難以確定。

下面來看一個(gè)通過設(shè)置內(nèi)存使用來最大化采樣率，從而改進(jìn)測(cè)量結(jié)果的示例。這里設(shè)置了一個(gè)最大采樣率為10GS/s的示波器來采集UART信號(hào)的多個(gè)數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖2：以10MS的記錄長(zhǎng)度獲取UART信號(hào)的三個(gè)數(shù)據(jù)包。用光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)包間距為43.8s，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為2ms。在此10ms/格時(shí)基的設(shè)置下，采樣率已降至100MS/s

將示波器時(shí)基設(shè)置為10ms/格，在使用10MS內(nèi)存時(shí)，其采樣率已降低至100MS/s。此設(shè)置的有效帶寬是采樣率的一半，即50MHz。

請(qǐng)注意，大部分波形都被數(shù)據(jù)包間的“死區(qū)時(shí)間”所占用。提高采樣率的一種方法是消除數(shù)據(jù)包間的死區(qū)時(shí)間，這可以通過以序列模式采集信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。這樣可以對(duì)采集內(nèi)存進(jìn)行分段并僅捕獲數(shù)據(jù)包，從而消除大部分死區(qū)時(shí)間并減少所使用的內(nèi)存量。下面將示波器設(shè)置在序列模式下，并使用相同的2.5MS總內(nèi)存，捕獲三個(gè)段，每個(gè)段的持續(xù)時(shí)間為5ms，如圖3所示。將內(nèi)存長(zhǎng)度減少到2.5MS的效果是將采樣率從100MS/s提高至500MS/s。

圖3：使用序列采集模式來減少使用的內(nèi)存并提高采樣率。采樣率已提高到500MS/s

由于信號(hào)帶寬約為14MHz，因此在任一采樣率下，信號(hào)似乎幾乎沒有差異，但如果查看信號(hào)下降時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，則會(huì)有更明顯的差異(圖4)。

下降時(shí)間是在兩種采樣率下測(cè)量的。以100MS/s采集的波形在邊緣有大約6個(gè)樣本，而以500MS/s采集的波形在邊緣有30個(gè)樣本。所得測(cè)量結(jié)果顯示均值相差約10%。關(guān)鍵指標(biāo)是，在500MS/s下采集的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為573ps，而另一測(cè)量結(jié)果顯示的標(biāo)準(zhǔn)差為1.7ns。標(biāo)準(zhǔn)差衡量了測(cè)量值關(guān)于平均值的分布，它是衡量測(cè)量不確定性的良好指標(biāo)?；旧?，以較高采樣率進(jìn)行的測(cè)量具有較小的不確定性。請(qǐng)記住，采樣率直接隨采集內(nèi)存長(zhǎng)度而變化。

圖4：對(duì)兩種不同采樣率(100MS/s和500MS/s)下的下降時(shí)間測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，在500MS/s下進(jìn)行的測(cè)量具有較低的標(biāo)準(zhǔn)差

無論我們的儀器有多少內(nèi)存，都會(huì)遇到測(cè)量時(shí)沒有足夠內(nèi)存直接進(jìn)行測(cè)量的情況。在這種情況下，可能有必要將測(cè)量分解為單獨(dú)的計(jì)時(shí)階段。圖5是具有高頻分量和低頻分量的波形示例。

圖5：這是入口門遙控器的初始測(cè)量結(jié)果，它使用390MHz載波的開關(guān)鍵控來編碼識(shí)別信息

圖中的頂部跡線是以10GS/s數(shù)字化的初始脈沖。同一波形的放大視圖(跡線Z2)是底部網(wǎng)格中顯示正弦波的紅色跡線。參數(shù)P2測(cè)得的頻率為390MHz標(biāo)稱值。當(dāng)在從頂部算起的第二條跡線中以5ms/格采集整個(gè)波形時(shí)，問題就開始了。

該采集的放大跡線出現(xiàn)在從頂部算起的第三條跡線中，以100μs/格顯示。請(qǐng)注意，包絡(luò)與第一次采集相同。但是有一個(gè)區(qū)別：該跡線的放大圖(Z3，也即底部網(wǎng)格中的藍(lán)色跡線)顯示的卻是頻率為110MHz的參差不齊的正弦波。即使最大內(nèi)存長(zhǎng)度為25MS，25ms采集也只能處理500MS/s的采樣率。

500MS/s不大于390MHz載波頻率的兩倍，這顯然成問題。這就是為什么載波的頻率看起來是110MHz，它是混疊的。采樣是種混頻操作，390MHz載波與500MS/s采樣率混合后就會(huì)發(fā)生下變頻，產(chǎn)生110MHz的差值，即混疊載波頻率。

所需的測(cè)量類型可以分為兩類。第一類是RF測(cè)量，主要包括測(cè)量載波頻率。第二類是評(píng)估低頻調(diào)制。第一類測(cè)量可以通過單獨(dú)采集RF突發(fā)并測(cè)量載波來進(jìn)行，就像使用頂部跡線和頻率參數(shù)P2所做的那樣。

第二組測(cè)量可以對(duì)包含完整消息的混疊信號(hào)來進(jìn)行。這樣做可行，是因?yàn)樾盘?hào)是非常窄的頻帶，只在大約390MHz有能量?？梢詫?duì)混疊信號(hào)實(shí)現(xiàn)峰值檢測(cè)，而已解調(diào)信號(hào)包絡(luò)可提供有關(guān)編碼及載波選通特性的信息。分析結(jié)果如圖6所示。

圖6：對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行解調(diào)和測(cè)量，需要測(cè)量已解調(diào)信號(hào)包絡(luò)的啟動(dòng)時(shí)間、衰減時(shí)間和寬度。包絡(luò)寬度的直方圖驗(yàn)證了串行編碼中使用了三個(gè)不同的脈沖寬度

采集到的波形顯示在頂部網(wǎng)格中。它包含一個(gè)RF載波，并由貌似經(jīng)過脈寬調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行開關(guān)鍵控。通過對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，可以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。峰值檢測(cè)是通過獲取已調(diào)射頻信號(hào)的絕對(duì)值，然后對(duì)其進(jìn)行低通濾波來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)學(xué)跡線F1執(zhí)行這一處理，它將絕對(duì)值與增強(qiáng)分辨率(ERES)低通濾波器結(jié)合在一起。這顯示在從頂部開始的第二條跡線中。從頂部算起的第三條跡線顯示了已解調(diào)信號(hào)疊加在已調(diào)載波上。請(qǐng)注意已解調(diào)信號(hào)跟蹤RF信號(hào)的程度。

現(xiàn)在對(duì)提取的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，包括上升時(shí)間和下降時(shí)間以及第一個(gè)脈沖的寬度，并對(duì)串行數(shù)據(jù)流中的所有21個(gè)脈沖重復(fù)這些測(cè)量。上升時(shí)間和下降時(shí)間代表鍵控載波的啟動(dòng)時(shí)間和衰減時(shí)間。底部網(wǎng)格中脈寬測(cè)量值的直方圖顯示只有三個(gè)不同的脈沖寬度500μs、1ms和1.5ms。

由于內(nèi)存有限，即使示波器在采集到完整信號(hào)時(shí)無法呈現(xiàn)載波，但仍然可以從信號(hào)中獲取到大量信息，但我們必須了解正在發(fā)生的事情。

采集內(nèi)存長(zhǎng)度是一項(xiàng)重要規(guī)格，它會(huì)影響數(shù)字化儀器的采樣率和帶寬。內(nèi)存長(zhǎng)度決定了任何固定采樣率下的采集持續(xù)時(shí)間。內(nèi)存長(zhǎng)度越長(zhǎng)，在最高采樣率下可支持的每格時(shí)間設(shè)置就越大。一旦使用了最大內(nèi)存量，進(jìn)一步增加每格時(shí)間設(shè)置將導(dǎo)致采樣率降低，從而導(dǎo)致儀器的有效帶寬降低。


文章來源：Planet Analog

編輯：ymf