数据采集应用中内存是如何影响数字化仪器的性能

数字化仪和示波器最重要的规格是带宽和采样率。采集内存长度不是首要规格，但它确实会极大地影响带宽和采样率。

数字化仪器(包括数字化仪和示波器)捕获数据并将其存储在仪器的采集存储器中。该存储器位于仪器数字化仪的后面，以数字化速率运行。采集存储器的大小会影响仪器的采样率、最大记录长度和处理速度。设置存储器的大小代表了始终存在的工程权衡之一。

从最基本的开始，示波器或数字化仪的最大采样率必须大于仪器模拟带宽的 2 倍。这是适用于所有数字化仪器的奈奎斯特准则的陈述。由于前端频率响应通常具有有限的衰减，因此采样率设置为高于标称带宽的两倍，以最大限度地减少这些潜在带外信号的混叠。通常，数字化仪使用的最小采样率与带宽比至少为 2.5:1。

采集记录长度，即采集信号的持续时间，与使用的采集存储器的长度成正比，可以用下式表示：

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

其中：

T rec 是采集信号的时间持续时间，以秒(s)为单位，

N是采集内存的长度，以样本数(S)为单位，

t S 是采样周期，以每样本秒数(s/S)为单位，

f S 是采样率，即采样周期的倒数，以每秒样本数(S/s)为单位。

采集持续时间等于内存样本或点数乘以采样周期或除以采样率。

大多数示波器的采集内存以 1、2、2.5 和 5 的倍数块提供;这些设置与互补的可用采样率相结合，可产生 1、2 和 5 的倍数的每格时间设置。目的是通过计算格线分度并将其乘以易于计算的因子，轻松地从屏幕上读取时间测量值。

随着示波器每格时间设置的增加，采集时间也随之增加，因此需要添加更多内存，采集和持续时间也会成比例增加。当内存长度达到其最大限制时，增加记录长度的唯一方法是降低采样率。

对于最大采样率为 10 GS/s 的设备，增加每格时间设置可使采样率保持最大值，直到达到最大采集内存。增加每格时间设置会导致采样率进一步下降。图中显示了最大内存长度为 50 MS、5 MS 和 500 kS 的图表。显而易见，值得注意的是，可用的采集内存越多，随着采集时间的增加，最大采样率可以维持的时间就越长。

一旦采样率开始下降，用户就必须注意仪器的有效带宽。数字化仪器的有效带宽是模拟带宽或采样率的一半中较小的一个。因此，以 1 GS/s 采样率运行的 1 GHz 示波器的有效带宽为 500 MHz。任何高于 500 kHz 的信号分量都会被混叠。还请记住，仪器的时间分辨率现在降低了。如果您想精确测量与时间相关的参数(如下降时间)，精度可能会受到影响。如果该边缘上只有少量样本，则测量边缘的斜率定义不明确。

让我们看一个例子，看看如何设置内存使用率以最大化采样率可以改善测量。一台最大采样率为 10 GS/s 的示波器被设置为采集几个 UART 信号数据包。示波器时基设置为 10 ms/分频，使用 10 MS 内存，采样率已降至 100 MS/s。此设置的有效带宽是采样率的一半或 50 MHz。

请注意，大部分波形都被数据包间的“死区”所占据。提高采样率的一种方法是消除数据包间的死区，这可以通过以序列模式采集信号来实现。这会对采集内存进行分段并仅捕获数据包，从而消除大部分死区并减少使用的内存量。图 3 显示了将示波器设置为序列模式并捕获三个段，每个段持续时间为 5 毫秒，使用相同的 2.5 毫秒总内存。将内存长度减少到 2.5 毫秒的效果是将采样率从 100 MS/s 提高到 500 MS/s。

虽然由于信号的带宽约为 14 MHz，因此两种采样率下的信号似乎差别很小，但如果我们观察信号下降时间的测量结果，就会发现差别更明显。

两种采样率均测量了下降时间。以 100 MS/s 采集的波形在边缘有大约 6 个样本，而以 500 MS/s 采集的波形在边缘有 30 个样本。由此得出的测量结果显示平均值相差约 10%。关键指标是，以 500 MS/s 采集的数据的标准偏差为 573 ps，而另一次测量显示的标准偏差为 1.7 ns。标准偏差测量测量值相对于平均值的分布，它很好地表明了测量的不确定性。基本上，以较高的采样率进行的测量具有较小的不确定性。请记住，采样率与采集内存长度直接相关。

无论仪器的内存有多大，总会出现内存不足而无法直接进行测量的情况。在这种情况下，可能需要将测量分为单独的计时时期。图中顶部的轨迹是以 10 GS/s 数字化的初始脉冲。同一波形的缩放视图(轨迹 Z2)是底部网格中的红色轨迹，显示正弦波。参数 P2 测量的频率标称值为 390 MHz。当在从顶部开始的第二条轨迹中以每格 5 毫秒的速度采集整个波形时，问题就开始了。

该采集的缩放轨迹出现在从顶部开始的第三条轨迹中，以每格 100μs 的速度显示。请注意，包络与第一次采集相同。但是有一个区别;该轨迹的缩放，Z3，底部网格中的蓝色轨迹，显示了一个频率为 110 MHz 的参差不齐的正弦波。即使最大内存长度为 25 MS，25 ms 采集也只能管理 500 MS/s 的采样率。

显然，这是一个问题，因为 500 MS/s 不会大于载波频率 390 MHz 的两倍。这就是为什么载波频率看起来是 110 MHz，它是混叠的。采样是一种混合操作，390 MHz 载波与 500 MS/s 采样率混合后会向下转换，产生 110 MHz 的差值，即混叠载波频率。

所需的测量类型可分为两类。第一类是 RF 测量，主要包括测量载波频率。第二类是评估低频调制。第一种测量可以通过单独获取 RF 突发并测量载波(如使用顶部轨迹和频率参数 P2 所做的那样)来进行。

第二组测量可以在包含完整信息的混叠信号上进行。这将有效，因为信号的频带非常窄，能量只有约 390 MHz。可以对混叠信号进行峰值检测，解调信号包络将提供有关编码以及载波门控特性的信息。

采集到的波形显示在顶部网格中。它由一个射频载波开关组成，该载波似乎是脉冲宽度调制信号。通过对采集到的信号进行峰值检测，可以恢复调制信号。峰值检测是通过取调制射频信号的绝对值然后对其进行低通滤波来实现的。数学轨迹 F1 执行该处理，结合绝对值，然后是增强分辨率 (ERES) 低通滤波器。这显示在从顶部开始的第二条轨迹中。从顶部开始的第三条轨迹显示叠加在调制载波上的解调信号。请注意解调信号跟踪射频信号的良好程度。

现在对提取的调制信号进行测量，包括上升和下降时间以及第一个脉冲的宽度，并重复对串行数据流中的所有 21 个脉冲进行这些测量。上升和下降时间代表键控载波的启动和衰减时间。底部网格中的脉冲宽度测量直方图显示只有三个不同的脉冲宽度：500 μs、1 ms 和 1.5 ms

虽然示波器由于内存有限，在获取完整信号时无法呈现载波，但仍然可以从信号中获取大量信息，但您必须了解正在发生的事情。

采集内存长度是一项重要规格，会影响数字化仪器的采样率和带宽。内存长度决定了任何固定采样率下的采集持续时间。内存长度越长，最高采样率下支持的每格时间设置就越大。一旦使用最大内存量，每格时间设置的进一步增加将导致采样率降低，从而导致仪器的有效带宽降低。