示波器基础系列之二 —— 示波器的采样率和存储深度

和存储深度这两个指标的相关理论后，接下来结合常见的应用，我们一起更深入的了解一下这两个参数对我们实际测试的影响。

电源测量中长存储的重要性

由于功率电子的频率相对较低（大部分小于1MHz），对于习惯于用高带宽示波器做高速信号测量的工程师来说，往往有一种错觉，电源测量可能 很简单，事实是对于电源测量应用中的示波器选择不少工程师犯了错误，虽然500MHz的示波器带宽相对于几百KHz的电源开关频率来说已经足够，但很多时 候我们却忽略了对采样率和存储深度的选择。比如说在常见的开关电源的测试中，电压开关的频率一般在200KHz或者更快，由于开关信号中经常存在着工频调 制，工程师需要捕获工频信号的四分之一周期或者半周期，甚至是多个周期。开关信号的上升时间约为100ns，我们建议为保证精确的重建波形需要在信号的上 升沿上有5个以上的采样点，即采样率至少为5/100ns=50MS/s，也就是两个采样点之间的时间间隔要小于100/5=20ns，对于至少捕获一个 工频周期的要求，意味着我们需要捕获一段20ms长的波形，这样我们可以计算出来示波器每通道所需的存储深度=20ms/20ns=1Mpts ！！！同样，在分析电源上电的软启动过程中功率器件承受的电压应力的最大值则需要捕获整个上电过程（十几毫秒），所需要的示波器采样率和存储深度甚至更 高！

很遗憾的是我经常看到有工程师用一台每通道仅有10K存储深度的示波器进行上面的电源测试！！！由此而愈发的感觉到作为示波器厂商有必要付出更多的精力和时间帮助工程师们建立使用示波器的正确观念。这也是我们深圳office写系列文章的初衷。

存储深度对FFT结果的影响

在DSO中，通过快速傅立叶变换（FFT）可以得到信号的频谱，进而在频域对一个信号进行分析。如电源谐波的测量需要用FFT来观察频谱，在高速串行数据 的测量中也经常用FFT来分析导致系统失效的噪声和干扰。对于FFT运算来说，示波器可用的采集内存的总量将决定可以观察信号成分的最大范围（奈奎斯特频 率），同时存储深度也决定了频率分辨率△f。如果奈奎斯特频率为500 MHz，分辨率为10 kHz，考虑一下确定观察窗的长度和采集缓冲区的大小。若要获得10kHz 的分辨率，则采集时间至少为： T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms，对于具有100 kB 存储器的数字示波器，可以分析的最高频率为：

△f × N/2 = 10 kHz × 100 kB/2 = 500 MHz

图11 示波器的FFT运算

在图12所示的例子中，266 MHz信号受到来自30 kHz噪声源的捡拾噪声的影响。FFT (下方的轨迹)显示了以266 MHz为中间、相距30 kHz的一系列峰值。这种失真十分常见，可能是由于开关式电源、DC-DC转换器或其它来源的串扰导致的。它也可能是由故意使用扩频时钟导致的。

图12 力科示波器的FFT分析

对于DSO来说，长存储能产生更好的FFT结果，既增加了频率分辨率又提高了信号对噪声的比率。另外，针对某些应用，一些非常细节的信息需要在20Mpts的存储深度下才能分析出来，如图13、14所示

图13 1M点的FFT结果无法了解有关调制的信息

图14 20M点的FFT清晰的确认了时钟的双峰分布及相关调制规律

需要指出的是，对于长波形的FFT分析需要示波器超强的数据处理能力，这往往超出了某些示波器的运算极限。力科示波器最大可以做25M点的FFT，业内T公司的示波器最大则只能做3.125M点的FFT分析。

高速串行信号分析需要真正意义的长存储

抖动分析和眼图测试已成为分析高速串行链路的重要手段，也成为评估高端示波器的重要参考。

当使用示波器进行抖动测试时，高速采集内存长度是示波器进行抖动测试的关键指标。高速内存长度不仅决定了一次抖动测试中样本数的多少，还决定了示波器能够 测试的抖动频率范围。这是因为所有的抖动都具有不同的频率分量，其通常从DC直流到高频部分。示波器单次采集时间窗口的倒数即表明了抖动测试的频律范围。 例如，你用一个具有 20G 采样/秒(S/s)的采样率和 1M采样内存的示波器捕获一个 2.5Gbps 信号，那么你的示波器屏幕上就能捕捉到50 微秒长的一段波形，意味着你能捕获到一个频率为 20kHz的低频抖动周期。同样的，对于20GS/s采样率100M存储深度（如力科的SDA6000AXXL），则可以捕获到200Hz的低频抖动周 期。

而传统示波器设计时采用将高速采集前端(多达80颗ADC)和高速内存在物理上用一颗SoC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部，导致片内高速内存容 量的限制(在40GS/s下一般小于2M)，只能测量到20KHz以上的抖动，并且当需要测试低频抖动时，无法对内存扩展升级。对于大多数应用，测试和分 析200Hz到