數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中內(nèi)存是如何影響數(shù)字化儀器的性能

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)極大地影響帶寬和采樣率。

數(shù)字化儀器(包括數(shù)字化儀和示波器)捕獲數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在儀器的采集存儲(chǔ)器中。該存儲(chǔ)器位于儀器數(shù)字化儀的后面，以數(shù)字化速率運(yùn)行。采集存儲(chǔ)器的大小會(huì)影響儀器的采樣率、最大記錄長(zhǎng)度和處理速度。設(shè)置存儲(chǔ)器的大小代表了始終存在的工程權(quán)衡之一。

從最基本的開(kāi)始，示波器或數(shù)字化儀的最大采樣率必須大于儀器模擬帶寬的 2 倍。這是適用于所有數(shù)字化儀器的奈奎斯特準(zhǔn)則的陳述。由于前端頻率響應(yīng)通常具有有限的衰減，因此采樣率設(shè)置為高于標(biāo)稱(chēng)帶寬的兩倍，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，與使用的采集存儲(chǔ)器的長(zhǎng)度成正比，可以用下式表示：

T rec = N * t S = N/f S

其中：

T rec 是采集信號(hào)的時(shí)間持續(xù)時(shí)間，以秒(s)為單位，

N是采集內(nèi)存的長(zhǎng)度，以樣本數(shù)(S)為單位，

t S 是采樣周期，以每樣本秒數(shù)(s/S)為單位，

f S 是采樣率，即采樣周期的倒數(shù)，以每秒樣本數(shù)(S/s)為單位。

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

大多數(shù)示波器的采集內(nèi)存以 1、2、2.5 和 5 的倍數(shù)塊提供;這些設(shè)置與互補(bǔ)的可用采樣率相結(jié)合，可產(chǎn)生 1、2 和 5 的倍數(shù)的每格時(shí)間設(shè)置。目的是通過(guò)計(jì)算格線分度并將其乘以易于計(jì)算的因子，輕松地從屏幕上讀取時(shí)間測(cè)量值。

隨著示波器每格時(shí)間設(shè)置的增加，采集時(shí)間也隨之增加，因此需要添加更多內(nèi)存，采集和持續(xù)時(shí)間也會(huì)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。

對(duì)于最大采樣率為 10 GS/s 的設(shè)備，增加每格時(shí)間設(shè)置可使采樣率保持最大值，直到達(dá)到最大采集內(nèi)存。增加每格時(shí)間設(shè)置會(huì)導(dǎo)致采樣率進(jìn)一步下降。圖中顯示了最大內(nèi)存長(zhǎng)度為 50 MS、5 MS 和 500 kS 的圖表。顯而易見(jiàn)，值得注意的是，可用的采集內(nèi)存越多，隨著采集時(shí)間的增加，最大采樣率可以維持的時(shí)間就越長(zhǎng)。

一旦采樣率開(kāi)始下降，用戶就必須注意儀器的有效帶寬。數(shù)字化儀器的有效帶寬是模擬帶寬或采樣率的一半中較小的一個(gè)。因此，以 1 GS/s 采樣率運(yùn)行的 1 GHz 示波器的有效帶寬為 500 MHz。任何高于 500 kHz 的信號(hào)分量都會(huì)被混疊。還請(qǐng)記住，儀器的時(shí)間分辨率現(xiàn)在降低了。如果您想精確測(cè)量與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)(如下降時(shí)間)，精度可能會(huì)受到影響。如果該邊緣上只有少量樣本，則測(cè)量邊緣的斜率定義不明確。

讓我們看一個(gè)例子，看看如何設(shè)置內(nèi)存使用率以最大化采樣率可以改善測(cè)量。一臺(tái)最大采樣率為 10 GS/s 的示波器被設(shè)置為采集幾個(gè) UART 信號(hào)數(shù)據(jù)包。示波器時(shí)基設(shè)置為 10 ms/分頻，使用 10 MS 內(nèi)存，采樣率已降至 100 MS/s。此設(shè)置的有效帶寬是采樣率的一半或 50 MHz。

請(qǐng)注意，大部分波形都被數(shù)據(jù)包間的“死區(qū)”所占據(jù)。提高采樣率的一種方法是消除數(shù)據(jù)包間的死區(qū)，這可以通過(guò)以序列模式采集信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這會(huì)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)并減少使用的內(nèi)存量。圖 3 顯示了將示波器設(shè)置為序列模式并捕獲三個(gè)段，每個(gè)段持續(xù)時(shí)間為 5 毫秒，使用相同的 2.5 毫秒總內(nèi)存。將內(nèi)存長(zhǎng)度減少到 2.5 毫秒的效果是將采樣率從 100 MS/s 提高到 500 MS/s。

雖然由于信號(hào)的帶寬約為 14 MHz，因此兩種采樣率下的信號(hào)似乎差別很小，但如果我們觀察信號(hào)下降時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)差別更明顯。

兩種采樣率均測(cè)量了下降時(shí)間。以 100 MS/s 采集的波形在邊緣有大約 6 個(gè)樣本，而以 500 MS/s 采集的波形在邊緣有 30 個(gè)樣本。由此得出的測(cè)量結(jié)果顯示平均值相差約 10%。關(guān)鍵指標(biāo)是，以 500 MS/s 采集的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 573 ps，而另一次測(cè)量顯示的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1.7 ns。標(biāo)準(zhǔn)偏差測(cè)量測(cè)量值相對(duì)于平均值的分布，它很好地表明了測(cè)量的不確定性?；旧?，以較高的采樣率進(jìn)行的測(cè)量具有較小的不確定性。請(qǐng)記住，采樣率與采集內(nèi)存長(zhǎng)度直接相關(guān)。

無(wú)論儀器的內(nèi)存有多大，總會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足而無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量的情況。在這種情況下，可能需要將測(cè)量分為單獨(dú)的計(jì)時(shí)時(shí)期。圖中頂部的軌跡是以 10 GS/s 數(shù)字化的初始脈沖。同一波形的縮放視圖(軌跡 Z2)是底部網(wǎng)格中的紅色軌跡，顯示正弦波。參數(shù) P2 測(cè)量的頻率標(biāo)稱(chēng)值為 390 MHz。當(dāng)在從頂部開(kāi)始的第二條軌跡中以每格 5 毫秒的速度采集整個(gè)波形時(shí)，問(wèn)題就開(kāi)始了。

該采集的縮放軌跡出現(xiàn)在從頂部開(kāi)始的第三條軌跡中，以每格 100μs 的速度顯示。請(qǐng)注意，包絡(luò)與第一次采集相同。但是有一個(gè)區(qū)別;該軌跡的縮放，Z3，底部網(wǎng)格中的藍(lán)色軌跡，顯示了一個(gè)頻率為 110 MHz 的參差不齊的正弦波。即使最大內(nèi)存長(zhǎng)度為 25 MS，25 ms 采集也只能管理 500 MS/s 的采樣率。

顯然，這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)?500 MS/s 不會(huì)大于載波頻率 390 MHz 的兩倍。這就是為什么載波頻率看起來(lái)是 110 MHz，它是混疊的。采樣是一種混合操作，390 MHz 載波與 500 MS/s 采樣率混合后會(huì)向下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生 110 MHz 的差值，即混疊載波頻率。

所需的測(cè)量類(lèi)型可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是 RF 測(cè)量，主要包括測(cè)量載波頻率。第二類(lèi)是評(píng)估低頻調(diào)制。第一種測(cè)量可以通過(guò)單獨(dú)獲取 RF 突發(fā)并測(cè)量載波(如使用頂部軌跡和頻率參數(shù) P2 所做的那樣)來(lái)進(jìn)行。

第二組測(cè)量可以在包含完整信息的混疊信號(hào)上進(jìn)行。這將有效，因?yàn)樾盘?hào)的頻帶非常窄，能量只有約 390 MHz?？梢詫?duì)混疊信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，解調(diào)信號(hào)包絡(luò)將提供有關(guān)編碼以及載波門(mén)控特性的信息。

采集到的波形顯示在頂部網(wǎng)格中。它由一個(gè)射頻載波開(kāi)關(guān)組成，該載波似乎是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。通過(guò)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(guò)取調(diào)制射頻信號(hào)的絕對(duì)值然后對(duì)其進(jìn)行低通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)學(xué)軌跡 F1 執(zhí)行該處理，結(jié)合絕對(duì)值，然后是增強(qiáng)分辨率 (ERES) 低通濾波器。這顯示在從頂部開(kāi)始的第二條軌跡中。從頂部開(kāi)始的第三條軌跡顯示疊加在調(diào)制載波上的解調(diào)信號(hào)。請(qǐng)注意解調(diào)信號(hào)跟蹤射頻信號(hào)的良好程度。

現(xiàn)在對(duì)提取的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，包括上升和下降時(shí)間以及第一個(gè)脈沖的寬度，并重復(fù)對(duì)串行數(shù)據(jù)流中的所有 21 個(gè)脈沖進(jìn)行這些測(cè)量。上升和下降時(shí)間代表鍵控載波的啟動(dòng)和衰減時(shí)間。底部網(wǎng)格中的脈沖寬度測(cè)量直方圖顯示只有三個(gè)不同的脈沖寬度：500 μs、1 ms 和 1.5 ms

雖然示波器由于內(nèi)存有限，在獲取完整信號(hào)時(shí)無(wú)法呈現(xiàn)載波，但仍然可以從信號(hào)中獲取大量信息，但您必須了解正在發(fā)生的事情。

采集內(nèi)存長(zhǎng)度是一項(xiàng)重要規(guī)格，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)，最高采樣率下支持的每格時(shí)間設(shè)置就越大。一旦使用最大內(nèi)存量，每格時(shí)間設(shè)置的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致采樣率降低，從而導(dǎo)致儀器的有效帶寬降低。