示波器分段存储原理讲解及案例分析

如果你在使用示波器时，因采集到的无效波形过多，导致有效波形失真，又或者你在捕获异常时，想获得每次异常现象，那么这里提到的分段存储功能，可能就是你想要的答案。

波形失真案例分析

我们采集一段波形CAN总线信号，用ZDS5054 Pro示波器对该信号进行采集并显示。第一次实验我们将示波器存储深度设置为1.4Mpts，采样时间设置为280us，采集完成一帧波形并按下暂停后，将波形调整至合适位置，波形和解码结果如图1所示，此时屏幕时基为10us/div。第二次实验我们将示波器存储深度同样设置为1.4Mpts，但采样时间设置为700ms，采集完成并按下暂停后将波形调整为第一次实验设置的参数即10us/div，获得的一帧CAN总线波形和解码结果如图2所示。

图1 存储深度1.4Mpts、采样时间280us波形结果的部分

图2 存储深度1.4Mpts、采样时间700ms波形结果的部分

很明显，在不同的时间采样下，图2的波形存在很大程度的失真，导致系统解码解析不出来。这里导致失真的主要原因和存储深度及采样率有一定的关系。对于采样率 Fs、存储深度 N，及捕获时间 T(本实验中设置的采样时间T)三者必然满足如下关系式：N = Fs *T。

当我们存储深度固定时，增加捕获时间T，必然导致采样率的降低，根据奈奎斯特采样定理，若 Fs 低于被测信号频率的 2 倍，将存在混叠现象，此时显示的波形具有迷惑性，是不可靠的。图1采样率为4Gsa/s，而图2因为T的增大而导致采样率仅剩2MSa/s，因此出现上述的图2波形失真的问题。实际上，一般采样率要在信号频率的 4~5 倍左右波形才是有保证的。

对比图1和图2，可能还会有小伙伴疑惑为什么设置同样的存储深度1.4Mpts，图1仅达到 1.12Mpts，而图2却能达到1.40Mpts，这仅仅是因为上述的关系式N = Fs *T导致的，T为固定的值几个数值变化，必然需要相应固定的存储深度和4GSa/s相乘，为策略性问题。

采用分段存储方式解决失真问题

我们将上述的图2水平时基档位变大，即1ms/div，如图3所示，可以看到我们采集到的CAN总线信号有很大一部分时间采集的其实都是无用信息，这是因为应用程序对CAN总线的控制通信是有时间间隔的。

图3 存在通信时间间隔的CAN信号

如果我们此时只想获得通信的数据内容，而无需帧与帧之间的等待时间，那么此间隔对采集数据来说并无意义，这时候我们是不是就可以考虑让示波器只记录有用信息的那一段，无用信息的那段就不记录，这样不就可以节省大量的存储深度，从而缓解甚至解决之前出现的那种失真问题了吗?所以，此处便是我们讲解的重点功能——分段存储。如图4通过设定CAN的起始位为触发条件，从而利用分段存储功能获得511帧CAN信号波形，并且每一帧波形都不存在失真。

图4 分段存储CAN信号

分段存储的原理

由上述例子，相信我们对分段存储有了一定的概念理解。所谓分段存储，既通过设置触发的方式，对每次触发采样得到的数据存放到各段的存储空间中，从而可以更高效地利用示波器的存储深度且保证波形细节，并且也能够在足够的采样率下捕获多个波形事件，以便进行有效的分析。

存储原理如下图 5所示，总的存储深度分为 n 段，第 1 段用于显示，第 2 段开始存储，也就是当发生第一次触发时采集的数据存储到第2段存储空间中(此处不同示波器的策略可能存在差异，但触发后再存储的本质没变化)，当第2段存储空间存储满之后， 结束第一次触发，等待第二次触发的到来，触发后把数据存储到第 3 段存储空间中，以此类推。

图5 分段采集原理

ZDS5054Pro 示波器为例，总的存储深度为 512Mpts，段数分配计算公式如下：N=512 * 1024 * 1024 / 【当前存储容量向 2^n 次幂取整】 - 1。

采用分段存储采集小概率波形

分段存储除了上述可以用来提高采样波形的准确性外(高效利用示波器的存储深度从而增加了有效采样数据)，还可以用来捕获令大多工程师头疼的偶发信号。下面以“8小时振荡检测试验”作为捕获案例。

1、实验背景

以 ZDS5054Pro 示波器测试做振动试验的连接器，测试整个过程中，监测连接器可能出现次失效区的次数，进而检测产品是否合格。

2、测试需求

整个振动试验时长 8 个小时，在整个过程中连接器可能会出现 0~几十次失效区，时长是 300ns 以上，幅值大小不确定(正常情况下电平为 1V)，如下图6所示。

图6 连接器失效区信号波形

3、测试过程和分析

首先，根据异常信号的特征，设置好示波器捕获触发条件(包括触发电平、触发方式、时基等)，由于振动实验室噪声干扰较大，失效时的尖峰波形和杂波混杂在一起，不易测试失效区信号，因此这里采用分段存储的方式去捕获失效区信号。进行8个小时的振动试验监测，捕获异常信号情况如图7和图8所示：

图7 第9段异常信号

图8 第13段异常信号

通过图7和图8对比分析，示波器在140us的采样时间下采样率依旧保持在4GSa/s，则此次获得的异常信号是有效的。打开光标对图7信号进行测量，可以发现该信号保持了大约1.79us，远远大于300ns，因此可以断定连接器在此时出现了一次失效。当然，如果小伙伴们想要知道是在哪个时间段失效的，则只需在测量完毕后暂停然后回顾分段的历史记录即可，这里就不对示波器做过多演示。

经过上述对分段存储原理讲解及案例分析，相信小伙伴对分段存储已经有了一定程度的理解。最后再做一个总结，分段存储主要用于捕获有效的波形并将之存储，可以比直接存储更有效地利用存储区域，并且，如果你想长时间去捕获偶发信号，那么我相信分段存储必然可以成为你的得力的工具。

原文标题：示波器分段存储功能，你真的会用吗?

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审核编辑：汤梓红