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,，所以他想測試下該總線信號的穩(wěn)定性,。手頭剛好有一臺ZDS2022示波器，因?yàn)橹耙呀?jīng)了解到ZDS2022示波器存儲深度高達(dá)112Mpts,，所以想用它來試一試,。為了測試信號的穩(wěn)定性，特意把一幀數(shù)據(jù)調(diào)得很大，5Mbps,，傳輸3秒鐘,。將時基設(shè)置為500ms，想把所有波形都記錄下來慢慢分析,。
他將存儲深度設(shè)為自動后,，在同一信號源下、不同時基下對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,，該問題的實(shí)質(zhì)是涉及到了示波器的采樣率問題,，“采樣”顧名思義，就是采集樣本點(diǎn),，是在連續(xù)的模擬信號中采集離散的數(shù)字信號的樣本點(diǎn),。通過測量相等時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,。采樣電壓之間的時間間隔越小,，重建出來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,，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：對于具有最大頻率fmax的信號而言,，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限長時間和連續(xù)的信號,，但是沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度（示波器能夠提供的最大點(diǎn)數(shù),，直接受存儲深度的影響）；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,。
采樣率與存儲深度
在示波器測量波形時,，有個重要的公式：存儲深度=總捕獲時間X采樣率。其中捕獲時間是有采樣窗格決定的,，當(dāng)設(shè)定一個水平時基檔位后,，總捕獲時間就是確定的，那么如果我想要更高的一個采樣率,，就必須保證有足夠大的存儲深度,。正是考慮到這點(diǎn)，ZDS2022示波器為您在【Horiz】按鍵中，提供了可手動設(shè)置的最大到112Mpts的存儲深度,。您可以根據(jù)自己的需要,，選擇合適的存儲深度。ZDS2022示波器的儲存深度中有一個選項(xiàng)是自動,，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為自動,，當(dāng)您選擇自動儲存深度后，會出現(xiàn)一個自動最大值的選項(xiàng),，自動最大值默認(rèn)設(shè)為1.4Mpts,。
自動存儲深度與自動最大值
現(xiàn)在先跟大家分享下這個自動存儲深度和自動最大值，到底是怎么回事,？
將儲存深度設(shè)為自動時,，當(dāng)前示波器的儲存深度就是當(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)大于自動最大值,，則在屏幕右下方的存儲深度就保持為自動最大值不變,，否則，一旦存儲深度不夠,，就會犧牲采樣率,。當(dāng)采樣率降低到不符合奈奎斯特采樣原理時，采集到的波形就會出現(xiàn)問題,，就像這位用戶在群里跟我們交流的那樣。其實(shí),，他一開始并沒有進(jìn)行大存儲深度的設(shè)置,，水平時基設(shè)為500ms/div時，由于存儲深度只設(shè)為1.4Mpts,，所以采樣率降到了200KSa/s,。
表1 存儲深度為1.4Mpts時，不同時基的波形對比表
設(shè)置好觸發(fā)條件后,，按下【Single】鍵,，放大波形至水平時基檔位為2ms/div，由于該波形是在采樣率為200KSa/s的情況下采集的,，而被測總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps,，不滿足奈奎斯特采樣原理，所以會看到一段一段的波形,。實(shí)際上,，在低采樣率下，如果時基很小,，由于每幀數(shù)據(jù)量很少,，“斷開”位置的波形就會看不到，整體看上去就好像是“斷開”的波形。而實(shí)際的總線波形并不是這樣斷開的,。
于是該用戶在我們的微信示波器用戶交流群中及時提出疑惑,，在研發(fā)同事的耐心解答后，在【Horiz】鍵中將儲存深度設(shè)為56Mpts,，嘗試著將水平時基檔位設(shè)為200ms/div,，此時采樣率為20MSa/s，為總線速度的4倍,，顯示波形放大到水平時基檔位為500ns/div,，波形并沒有失真。
表2 存儲深度為56Mpts時,，不同時基的波形對比表
實(shí)際上,，該種情況下我們是可以將存儲深度設(shè)為112Mpts的，存儲深度越大,，在相同的捕獲時間下,，采樣率就會越大，采樣率一旦很大,，則屏幕上重構(gòu)的波形就越準(zhǔn)確,。