在数字化仪器中采集存储器
文章作者:Arthur Pini
采集存储长度是影响数字化仪器采样速率和带宽的重要指标。
数字化器和示波器最重要的规格是带宽和采样率。采集存储器长度不是总理规范，但它确实影响了带宽和采样率。
数字化仪器包括数字化器和示波器捕获数据并将其存储在仪器的采集存储器中。这个记忆只是乐器的数字化器后面，并以数字化速率运行。采集存储器的大小效果仪器的采样率，最大记录长度和处理速度。设置存储器的大小代表其中一个始终存在工程权衡。
从基础开始，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。这是控制所有数字化仪器的奈奎斯特标准的声明。由于前端频率响应通常有一个有限的滚减，采样率被设置为高于名义带宽的两倍，以减少这些潜在的带外信号的混叠。一般来说，数字化仪器使用的最小采样率与带宽比至少为2.5:1。
采集记录长度，即被采集信号的持续时间，与所使用的采集存储器的长度成正比，可以用公式表示:
T.rec= n * tS.= N / fS.
地点:
T.rec是在几秒钟内获得的信号的持续时间，
N是样本中采集存储器的长度，
T.S.抽样周期为秒/次(s/ s)，和
FS.是采样速率，采样周期的倒数，单位是采样每秒(S/ S)。
采集的持续时间等于存储采样或点的数量乘以采样周期或除以采样率。
大多数示波器的采集存储器是1、2、2.5和5的倍数;这些设置与互补的可用采样率相结合，会导致每个分区设置的时间是1、2和5的倍数。其目的是通过计算刻度线的除法，并将其乘以易于计算的因子，使其易于在屏幕上读取时间测量值。
随着采集时间通过增加示波器的每分段设置的时间而增加，更多的内存被添加，并且采集和持续时间成比例地增加。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，如图所示图1．
图1这幅图显示了采样率作为每段时间设置的函数，以最大内存长度作为参数。
从图中可以看出，对于一个最大采样率为10gs /s的设备，增加每段时间设置，使采样率保持在最大值，直到达到最大的采集存储器。增加每个分区设置的时间会进一步导致采样率下降。图中显示了50 MS、5 MS和500 kS的最大内存长度。显然，值得注意的是，随着获取时间的增加，可用的获取内存越多，可以保持的最大采样率就越长。
一旦采样率开始下降，用户必须了解仪器的有效带宽。数字化仪器的有效带宽是模拟带宽或采样率一半的较小。因此，具有1GS / s采样率的1-GHz示波器具有500 MHz的有效带宽。500 kHz以上的任何信号分量都会被混溶。请记住，现在减少了仪器的时间分辨率。如果要准确测量时间相关参数，如下降时间，则可以影响准确度。如果该边缘上只有少数样本，则测量边缘的斜率差。
让我们来看看如何设置内存用法以最大化采样率可以改善测量值。设置具有10GS / s最大采样率的示波器，以获取如图所示的UART信号的多个数据包图2．
图2一个UART信号的三个包的记录长度为10 ms。包间间隔被游标读取为43.8 s，包是2 ms长。在每除法时基设置为10毫秒时，采样率下降到100毫秒/秒。
示波器时基设置为10ms /division，使用10ms内存，采样率降低到100ms /s。此设置的有效带宽是采样速率的一半或50 MHz。
请注意，大多数波形都以分组间的“死区时间”占用。增加采样率的一种方法是消除分组间死区时间，这可以通过以序列模式获取信号来完成。此分段采集存储器并仅捕获数据包，从而消除了大多数死区时间并减少了所用的内存量。在序列模式下设置示波器并捕获三个段，每个5 ms持续时间，使用相同的2.5 ms总内存显示图3.．将存储长度减少到2.5 MS的效果是将采样率从100 MS/s提高到500 MS/s。
图3.使用序列采集模式来减少使用的内存并提高采样率。采样率已增加到500 ms / s。
虽然采样率的信号似乎差别很小，因为信号的带宽约为14 MHz，但如果我们查看信号的下降时间的测量，则存在更明显的差异（图4.)．
在两种采样率下测量下降时间。在100 MS/s下获得的波形有大约6个边缘样本，而在500 MS/s下获得的波形有30个边缘样本。测量结果显示，这一差距约为10%。关键的指标是，在500 MS/s获得的数据的标准偏差为573 ps，而其他测量显示的标准偏差为1.7 ns。标准差是测量值在均值附近的分布，是测量值不确定度的良好指示。基本上，在较高的采样率下进行的测量具有较小的不确定性。记住，采样率直接随采集存储长度而变化。
图4.比较两种不同采样率的下降时间测量，100ms / s和500ms / s显示出较低的标准偏差，用于500 ms / s的测量。
无论你在一个仪器中有多少内存，都会有一个没有足够内存直接进行测量的测量。在这种情况下，可能有必要将测量分为单独的计时阶段。图5.是同时具有高频和低频成分的波形的一个例子。
图5.这是一个入口门的远程控制的初始测量，该入口门使用390兆赫兹载波的开关键控来编码识别信息。
图中最上面的道是以10gs /s的速度数字化的初始脉冲。同一波形的缩放视图(描画Z2)是底部网格中显示正弦波的红色描画。参数P2测量的频率名义上为390mhz。当整个波形以每除法5毫秒的速度从顶部的第二道道获得时，问题就开始了。
该采集的放大轨迹出现在顶部的第三个轨迹中，每个部分以100μs显示。请注意，信封是相同的第一次收购。然而，这是有区别的;放大这条线Z3，即底部网格中的蓝色线，显示出频率为110兆赫兹的不规则正弦波。即使使用最大25ms内存长度，25ms采集也只能管理500 MS/s的采样率。
显然，500 ms / s的问题不超过390 MHz的载波频率的两倍。这就是为什么运营商的频率似乎在110 MHz，它是别名的。采样是混合操作，并且与500ms / s采样率混合的390MHz载体正在转换，产生110MHz的差异，锯齿化载波频率。
所需的测量类型可以分为两类。首先是主要由测量载波频率组成的RF测量。第二代是评估低频调制。可以通过单独获取RF突发并根据与顶部迹线和频率参数，P2进行测量的RF突发来进行第一测量。
第二组测量可对包含全部信息的混叠信号进行。这将工作，因为信号是非常狭窄的频带只有大约390兆赫兹的能量。可以检测出混叠信号的峰值，解调信号包络线将提供有关编码以及载波的门控特性的信息。分析显示在图6.．
图6.解调和测量信号包络需要测量解调信号包络的攻击时间，衰减时间和宽度。包络宽度的直方图验证了串行编码中使用的三个不同的脉冲宽度。
采集波形如图所示。它包括一个射频载波开-关键与什么似乎是一个脉宽调制信号。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，然后低通滤波完成的。数学轨迹F1进行处理，结合绝对值和增强分辨率(ERES)低通滤波器。这在顶部的第二个跟踪中显示。从上面开始的第三道道显示了被解调的信号覆盖在被调制的载波上。注意解调信号如何很好地跟踪射频信号。
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，并对串行数据流中的所有21个脉冲重复这些测量。上升时间和下降时间表示键控载波的攻击和衰减时间。脉宽测量的直方图显示，在底部的栅格中，只有三种不同的脉宽:500 μs、1 ms和1.5 ms
即使示波器，由于有限的内存，不能渲染载波时，获得完整的信号，它仍然有可能获得大量的信息从信号，但你必须知道发生了什么。
采集存储长度是影响数字化仪器采样速率和带宽的重要指标。存储长度决定了在任何固定采样率下的采集持续时间。内存长度越长，在最高采样率下所支持的每除法设置的时间就越大。一旦占用了最大内存量，每除法时间设置的进一步增加将导致采样率下降，从而导致仪器的有效带宽下降。
本文最初发布经济日报．
阿瑟·扎他是一名技术支持专家和电气工程师，拥有超过50年的电子测试和测量经验。
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