關于示波器的存儲深度

我在一個高大上的公司做工程師的時候并不知道這個關系式，直到我后來賣示波器才知道有這么一個關系式，而且很重要。再追溯到我讀書的時候，當然更不知道這個關系式。

做工程師的時候，我的老板告訴我，為了確保示波器能準確地捕獲電源MOS管的峰值電壓，千萬不要在屏幕上同時看很多波形，盡量讓示波器上只顯示一個脈沖。他的做法是不斷地調節(jié)觸發(fā)電平，肉眼盯著示波器看，直到他調節(jié)觸發(fā)電平到足夠高（多少是足夠？），認為某次“抓到”的峰值電壓應該就是最大的了。 他為什么不同時捕獲更多的波形，只要確保采樣率是最大或者足夠就好了，再打開參數(shù)測量的統(tǒng)計值不是更好嗎？ 但是他只相信自己的眼睛盯著看到的那個波形，并斷定某一個波形就一定是最大的了。還好他會使用觸發(fā)電平的。我們小弟當然也就相信他是權威啦，因為他當時確實已經(jīng)是公司級的專家了。……

這個真實故事給了我要舉辦1000場示波器技術交流會的強大理由。工程師們不太愿意拿出1個小時聽聽示波器的基礎課程，總覺得這示波器很簡單，但其實對于示波器的ABC的認知還是太少。有些人將這個作為中國工程師和國外工程師的區(qū)別之一。這個判斷多少是令人有點憤怒的，但確實在某種程度上真的是這樣。 甚至換一個角度說，一個公司使用示波器的專業(yè)程度基本能反應一個公司的研發(fā)水平的。

那么今天我們花一點點時間快速閱讀一下這篇關于示波器存儲深度的“淺淺的”文章吧。為滿足大家快閱讀的需求，先將文章的標題摘錄如下：
1，存儲深度的基本概念
2，示波器存儲器的物理介質
3，存儲深度和采樣率的關系
4，最大存儲深度，當前設置的最大存儲深度，存儲深度的疊加使用，可顯示的存儲深度，可分析存儲深度，
5，存儲深度的應用價值

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存儲深度被稱為示波器的第三大指標。存儲深度=采樣率*采樣時間。這個關系式被筆者稱為示波器的第一關系式。

1，存儲深度的基本概念

“存儲深度”是個翻譯過來的詞語,英文叫“Record Length”。有的將它翻譯成“存儲長度”，“記錄長度”，等。它表示示波器可以保存的采樣點的個數(shù)。存儲深度是“1千萬個采樣點”，示波器廠商寫作10Mpts,10MS或10M的都有。這里，pts可以理解為points的縮寫，S理解為Samples的意思。

存儲深度表現(xiàn)在物理介質上其實是某種存儲器的容量，存儲器英文就是“Memory”。該存儲器容量的大小也就是“存儲深度”。存儲器保存滿了，達到存儲深度的極限之后怎么辦？ 我們可以將示波器的存儲器理解為環(huán)形存儲器。示波器不斷采樣得到新的采樣點會填充進來，老的采樣點會自動地溢出，這樣周而復始的過程直到示波器被“觸發(fā)信號”“叫停”或者間隔一定長的時間被強迫“叫停”為止。“叫停”一次，示波器就將存儲器中保存的這些采樣點“搬移”到示波器的屏幕上顯示。這兩次“搬移”之間等待的時間相對于采樣的時間極其漫長，被稱為“死區(qū)時間”。

上述過程經(jīng)常被筆者這樣打比方：存儲器就像一個“水缸”，“水缸”的容量就是“存儲深度”。如果使用一個“水龍頭”以恒定的速度對水缸注水，水龍頭的水流速度就是“采樣率”。當水缸已經(jīng)被注滿水之后，水龍頭仍然在對水缸注水，水缸里的水有一部分會溢出來，但水缸的總體容量是保持不變的。在某種條件下，水缸里的水將被全部倒出來，周而復始。圖1形象地表示了這種環(huán)形存儲器的概念。

圖1 示波器的環(huán)形存儲器

2，示波器存儲器的物理介質

存儲器的物理介質是什么? 是否就是我們熟悉的DDR內(nèi)存呢? 容量為什么那么??？為什么不可以用硬盤或者SD卡等大容量介質作為物理介質呢？ 如果是硬盤作為存儲介質，示波器不就可以作為數(shù)據(jù)記錄儀了嗎？

回答上述問題其實并不容易！

據(jù)筆者了解，早期的示波器包括現(xiàn)在的高帶寬示波器使用的存儲器都是示波器廠商自己設計的專用芯片，甚至一度存儲器芯片和ADC芯片之間的配合是A公司（后來叫K公司）的一個技術瓶頸。在若干年之前，K公司的所有示波器在存儲深度達到每通道2Mpts采樣點之后，采樣率會自動降低到4GS/s，直到2006年（好象是這個年份，也許更晚點），當年的A公司收購了某芯片公司才解決這個技術瓶頸?，F(xiàn)在K公司的低帶寬示波器的所有系列中，存儲深度指標一直不能突破每通道2Mpts，我猜想它可能采用的還是老款芯片。

對于高端示波器，存儲器芯片一直是核心技術，對于里面的技術細節(jié)筆者知之甚少。示波器中的ADC速率太快，普通的存儲介質根本來不及在這么短的時間內(nèi)“吞吐”那么大量的數(shù)據(jù)量。

還是用具體的數(shù)字來理解高速ADC的超大數(shù)據(jù)量對存儲器“吞吐量”提出的要求。譬如ADC的采樣率是20GS/s，也就是說每秒鐘要采樣20G個點，而每個點是由8個0和1組成。如果ADC的輸出是完全按照串行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)酱鎯ζ髦?，那么傳輸速率就?60Gbps。這是什么概念？ 現(xiàn)在的PCI-Express 3.0的速率是 8Gbps，最高速的高速芯片在單板上傳輸速率能達到25Gbps，但還不成熟，也沒有用到示波器上。高速ADC的采樣點怎么傳輸?shù)酱鎯ζ髦校@是一個難題! 其實這么高速的ADC也不可能是單芯片設計的，內(nèi)部是由很多2.5GS/s或1.25GS/s，250MS/s的“小的”ADC“交織拼接”實現(xiàn)的。既然不完全是串行的方式實現(xiàn)，采用并行傳輸之后，傳輸?shù)酱鎯ζ鞯臄?shù)據(jù)又怎么校準、對齊，再通過觸發(fā)機制規(guī)整地顯示到示波器屏幕上呢？ 這是示波器廠商的一點點小秘密。示波器發(fā)展到今天這方面門檻談不上多高,但還是有那么一點點的。

大家可能又會問另外一個問題，存儲器的數(shù)據(jù)又是怎么傳輸CPU中被分析、被顯示呢? 這也是一個問題，這問題涉及到示波器的數(shù)據(jù)處理的架構。隨著示波器技術的發(fā)展，目前存在的兩種架構，一種是基于PC平臺的，另外一種是嵌入式的，主要是基于FPGA實現(xiàn)的。隨著DDR內(nèi)存速率的提高和FPGA計算能力的增強，現(xiàn)在基于FPGA計算平臺的存儲器芯片已經(jīng)不再神秘，多是采用工業(yè)上的DDR內(nèi)存顆粒了，因此存儲深度這個指標，在不顧及存儲的采樣點是否真的被顯示、被分析的情況下，可以做得特別大了。但往往真實情況是，雖然存儲深度很高，但顯示的采樣點數(shù)和分析的采樣點數(shù)可能只有千分之幾，這主要取決于FPGA的“計算資源”或者說取決于成本，換句話說，取決于示波器產(chǎn)品的定義了。當然在不顧及成本的情況下，可以向外行人吹噓一下是算法的優(yōu)勢。在這類產(chǎn)品中，在屏幕上看到的波形對應的存儲深度并不等于采樣率乘以采樣時間，這有時侯確是讓人很糾結的。

3，存儲深度和采樣率的關系
存儲深度=采樣率*采樣時間。筆者一直執(zhí)著地將它稱為示波器中的第一關系式，因為很多工程師在使用示波器過程中因為忘記這個關系式而產(chǎn)生錯誤。如圖2為中國首款智能示波器SDS3000的顯示界面。右下方紅色方框中，右邊兩個數(shù)值50MS/s和20ms/div相乘，再乘以10，就等于左邊的數(shù)10MS。當前采樣率為50MS/s，當前時基為20ms/div，因為水平軸是10格（有些示波器是12格或14格），因此采樣時間為200ms, 50MS/s * 200ms = 10MS。就是說以50MS/s的采樣率捕獲200ms的波形，需要示波器的存儲幅度是10MS。這和水缸里面注水是一個概念，如果“水龍頭”的流速是每秒5千萬（50M）滴水，那么持續(xù)向“水缸”注水200ms，水缸中就有了1千萬（10M）滴水了。 就是這么簡單的乘積關系。