示波器分段存儲(chǔ)原理講解及案例分析

如果你在使用示波器時(shí)，因采集到的無(wú)效波形過(guò)多，導(dǎo)致有效波形失真，又或者你在捕獲異常時(shí)，想獲得每次異?，F(xiàn)象，那么這里提到的分段存儲(chǔ)功能，可能就是你想要的答案。

波形失真案例分析

我們采集一段波形CAN總線信號(hào)，用ZDS5054 Pro示波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集并顯示。第一次實(shí)驗(yàn)我們將示波器存儲(chǔ)深度設(shè)置為1.4Mpts，采樣時(shí)間設(shè)置為280us，采集完成一幀波形并按下暫停后，將波形調(diào)整至合適位置，波形和解碼結(jié)果如圖1所示，此時(shí)屏幕時(shí)基為10us/div。第二次實(shí)驗(yàn)我們將示波器存儲(chǔ)深度同樣設(shè)置為1.4Mpts，但采樣時(shí)間設(shè)置為700ms，采集完成并按下暫停后將波形調(diào)整為第一次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)即10us/div，獲得的一幀CAN總線波形和解碼結(jié)果如圖2所示。

圖1 存儲(chǔ)深度1.4Mpts、采樣時(shí)間280us波形結(jié)果的部分

圖2 存儲(chǔ)深度1.4Mpts、采樣時(shí)間700ms波形結(jié)果的部分

很明顯，在不同的時(shí)間采樣下，圖2的波形存在很大程度的失真，導(dǎo)致系統(tǒng)解碼解析不出來(lái)。這里導(dǎo)致失真的主要原因和存儲(chǔ)深度及采樣率有一定的關(guān)系。對(duì)于采樣率 Fs、存儲(chǔ)深度 N，及捕獲時(shí)間 T(本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的采樣時(shí)間T)三者必然滿足如下關(guān)系式：N = Fs *T。

當(dāng)我們存儲(chǔ)深度固定時(shí)，增加捕獲時(shí)間T，必然導(dǎo)致采樣率的降低，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，若 Fs 低于被測(cè)信號(hào)頻率的 2 倍，將存在混疊現(xiàn)象，此時(shí)顯示的波形具有迷惑性，是不可靠的。圖1采樣率為4Gsa/s，而圖2因?yàn)門(mén)的增大而導(dǎo)致采樣率僅剩2MSa/s，因此出現(xiàn)上述的圖2波形失真的問(wèn)題。實(shí)際上，一般采樣率要在信號(hào)頻率的 4~5 倍左右波形才是有保證的。

對(duì)比圖1和圖2，可能還會(huì)有小伙伴疑惑為什么設(shè)置同樣的存儲(chǔ)深度1.4Mpts，圖1僅達(dá)到 1.12Mpts，而圖2卻能達(dá)到1.40Mpts，這僅僅是因?yàn)樯鲜龅年P(guān)系式N = Fs *T導(dǎo)致的，T為固定的值幾個(gè)數(shù)值變化，必然需要相應(yīng)固定的存儲(chǔ)深度和4GSa/s相乘，為策略性問(wèn)題。

采用分段存儲(chǔ)方式解決失真問(wèn)題

我們將上述的圖2水平時(shí)基檔位變大，即1ms/div，如圖3所示，可以看到我們采集到的CAN總線信號(hào)有很大一部分時(shí)間采集的其實(shí)都是無(wú)用信息，這是因?yàn)閼?yīng)用程序?qū)AN總線的控制通信是有時(shí)間間隔的。

圖3 存在通信時(shí)間間隔的CAN信號(hào)

如果我們此時(shí)只想獲得通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容，而無(wú)需幀與幀之間的等待時(shí)間，那么此間隔對(duì)采集數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)并無(wú)意義，這時(shí)候我們是不是就可以考慮讓示波器只記錄有用信息的那一段，無(wú)用信息的那段就不記錄，這樣不就可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)深度，從而緩解甚至解決之前出現(xiàn)的那種失真問(wèn)題了嗎?所以，此處便是我們講解的重點(diǎn)功能——分段存儲(chǔ)。如圖4通過(guò)設(shè)定CAN的起始位為觸發(fā)條件，從而利用分段存儲(chǔ)功能獲得511幀CAN信號(hào)波形，并且每一幀波形都不存在失真。

圖4 分段存儲(chǔ)CAN信號(hào)

分段存儲(chǔ)的原理

由上述例子，相信我們對(duì)分段存儲(chǔ)有了一定的概念理解。所謂分段存儲(chǔ)，既通過(guò)設(shè)置觸發(fā)的方式，對(duì)每次觸發(fā)采樣得到的數(shù)據(jù)存放到各段的存儲(chǔ)空間中，從而可以更高效地利用示波器的存儲(chǔ)深度且保證波形細(xì)節(jié)，并且也能夠在足夠的采樣率下捕獲多個(gè)波形事件，以便進(jìn)行有效的分析。

存儲(chǔ)原理如下圖 5所示，總的存儲(chǔ)深度分為 n 段，第 1 段用于顯示，第 2 段開(kāi)始存儲(chǔ)，也就是當(dāng)發(fā)生第一次觸發(fā)時(shí)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到第2段存儲(chǔ)空間中(此處不同示波器的策略可能存在差異，但觸發(fā)后再存儲(chǔ)的本質(zhì)沒(méi)變化)，當(dāng)?shù)?段存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)滿之后， 結(jié)束第一次觸發(fā)，等待第二次觸發(fā)的到來(lái)，觸發(fā)后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到第 3 段存儲(chǔ)空間中，以此類推。

圖5 分段采集原理

ZDS5054Pro 示波器為例，總的存儲(chǔ)深度為 512Mpts，段數(shù)分配計(jì)算公式如下：N=512 * 1024 * 1024 / 【當(dāng)前存儲(chǔ)容量向 2^n 次冪取整】 - 1。

采用分段存儲(chǔ)采集小概率波形

分段存儲(chǔ)除了上述可以用來(lái)提高采樣波形的準(zhǔn)確性外(高效利用示波器的存儲(chǔ)深度從而增加了有效采樣數(shù)據(jù))，還可以用來(lái)捕獲令大多工程師頭疼的偶發(fā)信號(hào)。下面以“8小時(shí)振蕩檢測(cè)試驗(yàn)”作為捕獲案例。

1、實(shí)驗(yàn)背景

以 ZDS5054Pro 示波器測(cè)試做振動(dòng)試驗(yàn)的連接器，測(cè)試整個(gè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)連接器可能出現(xiàn)次失效區(qū)的次數(shù)，進(jìn)而檢測(cè)產(chǎn)品是否合格。

2、測(cè)試需求

整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng) 8 個(gè)小時(shí)，在整個(gè)過(guò)程中連接器可能會(huì)出現(xiàn) 0~幾十次失效區(qū)，時(shí)長(zhǎng)是 300ns 以上，幅值大小不確定(正常情況下電平為 1V)，如下圖6所示。

圖6 連接器失效區(qū)信號(hào)波形

3、測(cè)試過(guò)程和分析

首先，根據(jù)異常信號(hào)的特征，設(shè)置好示波器捕獲觸發(fā)條件(包括觸發(fā)電平、觸發(fā)方式、時(shí)基等)，由于振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室噪聲干擾較大，失效時(shí)的尖峰波形和雜波混雜在一起，不易測(cè)試失效區(qū)信號(hào)，因此這里采用分段存儲(chǔ)的方式去捕獲失效區(qū)信號(hào)。進(jìn)行8個(gè)小時(shí)的振動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，捕獲異常信號(hào)情況如圖7和圖8所示：

圖7 第9段異常信號(hào)

圖8 第13段異常信號(hào)

通過(guò)圖7和圖8對(duì)比分析，示波器在140us的采樣時(shí)間下采樣率依舊保持在4GSa/s，則此次獲得的異常信號(hào)是有效的。打開(kāi)光標(biāo)對(duì)圖7信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)該信號(hào)保持了大約1.79us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于300ns，因此可以斷定連接器在此時(shí)出現(xiàn)了一次失效。當(dāng)然，如果小伙伴們想要知道是在哪個(gè)時(shí)間段失效的，則只需在測(cè)量完畢后暫停然后回顧分段的歷史記錄即可，這里就不對(duì)示波器做過(guò)多演示。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)分段存儲(chǔ)原理講解及案例分析，相信小伙伴對(duì)分段存儲(chǔ)已經(jīng)有了一定程度的理解。最后再做一個(gè)總結(jié)，分段存儲(chǔ)主要用于捕獲有效的波形并將之存儲(chǔ)，可以比直接存儲(chǔ)更有效地利用存儲(chǔ)區(qū)域，并且，如果你想長(zhǎng)時(shí)間去捕獲偶發(fā)信號(hào)，那么我相信分段存儲(chǔ)必然可以成為你的得力的工具。

原文標(biāo)題：示波器分段存儲(chǔ)功能，你真的會(huì)用嗎?

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審核編輯：湯梓紅