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示波器分段存儲功能，你真的會用嗎？

來源：深圳市樂買宜電子有限公司   2022年06月23日 17:27  

如果你在使用示波器時，因采集到的無效波形過多，導致有效波形失真，又或者你在捕獲異常時，想獲得每次異常現象，那么這里提到的分段存儲功能，可能就是你想要的答案。



波形失真案例分析

我們采集一段波形CAN總線信號，用ZDS5054 Pro示波器對該信號進行采集并顯示。第一次實驗我們將示波器存儲深度設置為1.4Mpts，采樣時間設置為280us，采集完成一幀波形并按下暫停后，將波形調整至合適位置，波形和解碼結果如圖1所示，此時屏幕時基為10us/div。第二次實驗我們將示波器存儲深度同樣設置為1.4Mpts，但采樣時間設置為700ms，采集完成并按下暫停后將波形調整為第一次實驗設置的參數即10us/div，獲得的一幀CAN總線波形和解碼結果如圖2所示。
 

圖1 存儲深度1.4Mpts、采樣時間280us波形結果的部分.png

圖1 存儲深度1.4Mpts、采樣時間280us波形結果的部分
 

圖2 存儲深度1.4Mpts、采樣時間700ms波形結果的部分.png

圖2 存儲深度1.4Mpts、采樣時間700ms波形結果的部分

很明顯，在不同的時間采樣下，圖2的波形存在很大程度的失真，導致系統解碼解析不出來。這里導致失真的主要原因和存儲深度及采樣率有一定的關系。對于采樣率 Fs、存儲深度 N，及捕獲時間 T（本實驗中設置的采樣時間T）三者必然滿足如下關系式：N = Fs *T。

當我們存儲深度固定時，增加捕獲時間T，必然導致采樣率的降低，根據奈奎斯特采樣定理，若 Fs 低于被測信號頻率的 2 倍，將存在混疊現象，此時顯示的波形具有迷惑性，是不可靠的。圖1采樣率為4Gsa/s，而圖2因為T的增大而導致采樣率僅剩2MSa/s，因此出現上述的圖2波形失真的問題。實際上，一般采樣率要在信號頻率的 4~5 倍左右波形才是有保證的。

對比圖1和圖2，可能還會有小伙伴疑惑為什么設置同樣的存儲深度1.4Mpts，圖1僅達到 1.12Mpts，而圖2卻能達到1.40Mpts，這僅僅是因為上述的關系式N = Fs *T導致的，T為固定的值幾個數值變化，必然需要相應固定的存儲深度和4GSa/s相乘，為策略性問題。

采用分段存儲方式解決失真問題

我們將上述的圖2水平時基檔位變大，即1ms/div，如圖3所示，可以看到我們采集到的CAN總線信號有很大一部分時間采集的其實都是無用信息，這是因為應用程序對CAN總線的控制通信是有時間間隔的。
 

圖3 存在通信時間間隔的CAN信號.png

圖3 存在通信時間間隔的CAN信號

如果我們此時只想獲得通信的數據內容，而無需幀與幀之間的等待時間，那么此間隔對采集數據來說并無意義，這時候我們是不是就可以考慮讓示波器只記錄有用信息的那一段，無用信息的那段就不記錄，這樣不就可以節省大量的存儲深度，從而緩解甚至解決之前出現的那種失真問題了嗎？所以，此處便是我們講解的重點功能——分段存儲。如圖4通過設定CAN的起始位為觸發條件，從而利用分段存儲功能獲得511幀CAN信號波形，并且每一幀波形都不存在失真。
 

圖4 分段存儲CAN信號.png

圖4 分段存儲CAN信號

分段存儲的原理

由上述例子，相信我們對分段存儲有了一定的概念理解。所謂分段存儲，既通過設置觸發的方式，對每次觸發采樣得到的數據存放到各段的存儲空間中，從而可以更高效地利用示波器的存儲深度且保證波形細節，并且也能夠在足夠的采樣率下捕獲多個波形事件，以便進行有效的分析。

存儲原理如下圖 5所示，總的存儲深度分為 n 段，第 1 段用于顯示，第 2 段開始存儲，也就是當發生第一次觸發時采集的數據存儲到第2段存儲空間中（此處不同示波器的策略可能存在差異，但觸發后再存儲的本質沒變化），當第2段存儲空間存儲滿之后， 結束第一次觸發，等待第二次觸發的到來，觸發后把數據存儲到第 3 段存儲空間中，以此類推。

圖5 分段采集原理

ZDS5054Pro 示波器為例，總的存儲深度為 512Mpts，段數分配計算公式如下：
N=512 * 1024 * 1024 / 【當前存儲容量向 2^n 次冪取整】 - 1。

采用分段存儲采集小概率波形

分段存儲除了上述可以用來提高采樣波形的準確性外（高效利用示波器的存儲深度從而增加了有效采樣數據），還可以用來捕獲令大多工程師頭疼的偶發信號。下面以“8小時振蕩檢測試驗”作為捕獲案例。


1、實驗背景


以 ZDS5054Pro 示波器測試做振動試驗的連接器，測試整個過程中，監測連接器可能出現次失效區的次數，進而檢測產品是否合格。


2、測試需求


整個振動試驗時長 8 個小時，在整個過程中連接器可能會出現 0~幾十次失效區，時長是 300ns 以上，幅值大小不確定（正常情況下電平為 1V），如下圖6所示。

圖6 連接器失效區信號波形.png

圖6 連接器失效區信號波形


3、測試過程和分析


首先，根據異常信號的特征，設置好示波器捕獲觸發條件（包括觸發電平、觸發方式、時基等），由于振動實驗室噪聲干擾較大，失效時的尖峰波形和雜波混雜在一起，不易測試失效區信號，因此這里采用分段存儲的方式去捕獲失效區信號。進行8個小時的振動試驗監測，捕獲異常信號情況如圖7和圖8所示：
 

圖7 第9段異常信號
 

圖8 第13段異常信號

通過圖7和圖8對比分析，示波器在140us的采樣時間下采樣率依舊保持在4GSa/s，則此次獲得的異常信號是有效的。打開光標對圖7信號進行測量，可以發現該信號保持了大約1.79us，遠遠大于300ns，因此可以斷定連接器在此時出現了一次失效。當然，如果小伙伴們想要知道是在哪個時間段失效的，則只需在測量完畢后暫停然后回顧分段的歷史記錄即可，這里就不對示波器做過多演示。

經過上述對分段存儲原理講解及案例分析，相信小伙伴對分段存儲已經有了一定程度的理解。最后再做一個總結，分段存儲主要用于捕獲有效的波形并將之存儲，可以比直接存儲更有效地利用存儲區域，并且，如果你想長時間去捕獲偶發信號，那么我相信分段存儲必然可以成為你的得力的工具。

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