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[導(dǎo)讀] 在致遠(yuǎn)電子示波器微信用戶交流群中,我看到這樣一些信息,有位用戶的一個(gè)項(xiàng)目中需要用到多結(jié)點(diǎn)高速串行通信總線,使用CPLD作為收發(fā)控制器,總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps,由于碼率較高,所以他想測(cè)試下該總線信

在致遠(yuǎn)電子示波器微信用戶交流群中,我看到這樣一些信息,有位用戶的一個(gè)項(xiàng)目中需要用到多結(jié)點(diǎn)高速串行通信總線,使用CPLD作為收發(fā)控制器,總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps,由于碼率較高,所以他想測(cè)試下該總線信號(hào)的穩(wěn)定性。手頭剛好有一臺(tái)ZDS2022示波器,因?yàn)橹耙呀?jīng)了解到ZDS2022示波器存儲(chǔ)深度高達(dá)112Mpts,所以想用它來試一試。為了測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性,特意把一幀數(shù)據(jù)調(diào)得很大,5Mbps,傳輸3秒鐘。將時(shí)基設(shè)置為500ms,想把所有波形都記錄下來慢慢分析。


  他將存儲(chǔ)深度設(shè)為自動(dòng)后,在同一信號(hào)源下、不同時(shí)基下對(duì)采集的波形放大觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形不一樣,這是怎么回事呢?

  采樣率與奈奎斯特采樣原理

  事實(shí)上,該問題的實(shí)質(zhì)是涉及到了示波器的采樣率問題,“采樣”顧名思義,就是采集樣本點(diǎn),是在連續(xù)的模擬信號(hào)中采集離散的數(shù)字信號(hào)的樣本點(diǎn)。通過測(cè)量相等時(shí)間間隔的電壓波形幅值,并將此電壓轉(zhuǎn)化成用八位二進(jìn)制表示的數(shù)字信息。采樣電壓之間的時(shí)間間隔越小,重建出來的波形就越接近原始波形。

  圖1 等間隔的采樣

  圖2 示波器采樣剖析示意圖

  在進(jìn)行采樣時(shí),一定要遵守奈奎斯特采樣原理,才能避免波形失真。奈奎斯特采樣原理認(rèn)為:對(duì)于具有最大頻率fmax的信號(hào)而言,等距采樣頻率fs必須比最大頻率fmax大兩倍,這樣才能重建唯一的信號(hào)而不產(chǎn)生波形混疊的現(xiàn)象。

  圖3 fs與fmax的幾種比例示意圖

  由于奈奎斯特原理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的信號(hào),但是沒有示波器可以提供無(wú)限時(shí)間的記錄長(zhǎng)度(示波器能夠提供的最大點(diǎn)數(shù),直接受存儲(chǔ)深度的影響);所以采用最高頻率成分兩倍的采樣速率通常是不夠的,實(shí)際應(yīng)用中通常為5倍甚至更高。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性,通常要求示波器保持較高的采樣率。

  采樣率與存儲(chǔ)深度

  在示波器測(cè)量波形時(shí),有個(gè)重要的公式:存儲(chǔ)深度=總捕獲時(shí)間X采樣率。其中捕獲時(shí)間是有采樣窗格決定的,當(dāng)設(shè)定一個(gè)水平時(shí)基檔位后,總捕獲時(shí)間就是確定的,那么如果我想要更高的一個(gè)采樣率,就必須保證有足夠大的存儲(chǔ)深度。正是考慮到這點(diǎn),ZDS2022示波器為您在【Horiz】按鍵中,提供了可手動(dòng)設(shè)置的最大到112Mpts的存儲(chǔ)深度。您可以根據(jù)自己的需要,選擇合適的存儲(chǔ)深度。ZDS2022示波器的儲(chǔ)存深度中有一個(gè)選項(xiàng)是自動(dòng),系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為自動(dòng),當(dāng)您選擇自動(dòng)儲(chǔ)存深度后,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)最大值的選項(xiàng),自動(dòng)最大值默認(rèn)設(shè)為1.4Mpts。

  自動(dòng)存儲(chǔ)深度與自動(dòng)最大值

  現(xiàn)在先跟大家分享下這個(gè)自動(dòng)存儲(chǔ)深度和自動(dòng)最大值,到底是怎么回事?

  將儲(chǔ)存深度設(shè)為自動(dòng)時(shí),當(dāng)前示波器的儲(chǔ)存深度就是當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù),若當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù)大于自動(dòng)最大值,則在屏幕右下方的存儲(chǔ)深度就保持為自動(dòng)最大值不變,否則,一旦存儲(chǔ)深度不夠,就會(huì)犧牲采樣率。當(dāng)采樣率降低到不符合奈奎斯特采樣原理時(shí),采集到的波形就會(huì)出現(xiàn)問題,就像這位用戶在群里跟我們交流的那樣。其實(shí),他一開始并沒有進(jìn)行大存儲(chǔ)深度的設(shè)置,水平時(shí)基設(shè)為500ms/div時(shí),由于存儲(chǔ)深度只設(shè)為1.4Mpts,所以采樣率降到了200KSa/s。

  表1 存儲(chǔ)深度為1.4Mpts時(shí),不同時(shí)基的波形對(duì)比表

  設(shè)置好觸發(fā)條件后,按下【Single】鍵,放大波形至水平時(shí)基檔位為2ms/div,由于該波形是在采樣率為200KSa/s的情況下采集的,而被測(cè)總線設(shè)計(jì)速度為5Mbps,不滿足奈奎斯特采樣原理,所以會(huì)看到一段一段的波形。實(shí)際上,在低采樣率下,如果時(shí)基很小,由于每幀數(shù)據(jù)量很少,“斷開”位置的波形就會(huì)看不到,整體看上去就好像是“斷開”的波形。而實(shí)際的總線波形并不是這樣斷開的。

  于是該用戶在我們的微信示波器用戶交流群中及時(shí)提出疑惑,在研發(fā)同事的耐心解答后,在【Horiz】鍵中將儲(chǔ)存深度設(shè)為56Mpts,嘗試著將水平時(shí)基檔位設(shè)為200ms/div,此時(shí)采樣率為20MSa/s,為總線速度的4倍,顯示波形放大到水平時(shí)基檔位為500ns/div,波形并沒有失真。

  表2 存儲(chǔ)深度為56Mpts時(shí),不同時(shí)基的波形對(duì)比表

  實(shí)際上,該種情況下我們是可以將存儲(chǔ)深度設(shè)為112Mpts的,存儲(chǔ)深度越大,在相同的捕獲時(shí)間下,采樣率就會(huì)越大,采樣率一旦很大,則屏幕上重構(gòu)的波形就越準(zhǔn)確。


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