瞭解擷取記憶體的重要性

作者 : Arthur Pini,資深電子測試/量測工程師

擷取記憶體長度是一項重要規格,影響著數位儀器的採樣率和頻寬。記憶體長度決定了任何固定採樣率下的擷取持續時間。記憶體的長度越長,在最高採樣率下可支持的每格時間設置就越大…

數位器和示波器最重要的規格是頻寬和採樣率。擷取記憶體長度並不是首要規格,但它確實顯著影響著頻寬和採樣率。

數位化儀器(包括數位器和示波器等)在捕捉到數據後,就會將數據儲存在儀器的擷取記憶體(acquisition memory)中。該記憶體位於儀器的數位器之後,並以數位速率運行。擷取記憶體的大小會影響儀器的採樣率、最大記錄長度和處理速度。設置記憶體的大小象徵著始終存在的工程權衡之一。

從基礎開始,示波器或數位器的最大採樣率必須大於該儀器類比頻寬的2倍。這是主導所有數位儀器的奈奎斯特(Nyquist)準則。由於前端頻率響應通常具有有限的滾降,因此將採樣率設置為高於標稱頻寬的兩倍,從而最大限度地減少這些潛在頻外訊號的混疊。通常,數位儀器所使用的最小採樣率與頻寬比至少為2.5:1。

擷取記錄的長度,即擷取訊號的持續時間,與所用擷取記憶體的長度成正比,可以用以下公式來表示:

Trec = N * tS = N/fS

其中:
Trec是擷取訊號的持續時間,以秒(s)為單位;
N是擷取記憶體的長度,以樣本(S)為單位;
tS是採樣週期(s/S),以秒/樣本(s/S)為單位;
fS是採樣率,即採樣週期的倒數,以樣本/秒(S/s)為單位。

擷取的持續時間等於記憶體樣本數或點數乘以採樣週期或除以採樣率。

大多數示波器中的擷取記憶體都是以模組的形式存在,並以1、2、2.5和5的倍數來提供;這樣的設置與互補可用的採樣率相結合,就可以將每格時間設置為1、 2和5的倍數。其目的在於透過計算格點數並將其乘以易於運算的因子,從而在螢幕上輕鬆讀取時間測量結果。

隨著示波器每格時間設置的增加,擷取時間增加,記憶體也就增加,擷取和持續時間隨之成比例增加。當記憶體長度達到其最大限制時,增加記錄長度的唯一方法是降低採樣率,如1所示。

1:圖顯示以最大記憶體長度作為參數,採樣率隨每格時間設置的變化情況。

1顯示,在最大採樣率為10GS/s的情況下,增加裝置的每格時間設置,可使採樣率保持在最大值,直至達到最大擷取記憶體。進一步增加每格時間設置則會導致採樣率下降。圖中顯示最大記憶體長度為50MS、5MS和500kS的圖形。顯而易見且值得注意的是,隨著擷取時間增加,可用的擷取記憶體越多,最大採樣率可持續的時間就越長。

一旦採樣率開始下降,使用者就必須瞭解儀器的有效頻寬。數位儀器的有效頻寬比類比頻寬較小一點或僅為採樣率的一半。因此,以1GS/s採樣率運行的1GHz示波器,其有效頻寬就為500MHz。任何高於500kHz的訊號分量都會被混疊。還要記住,儀器的時間解析度現在降低了。如果要對下降時間等與時間相關的參數進行準確測量,則精度可能會受到影響。如果測量邊緣只有幾個樣本,則該邊緣的斜率就難以確定。

接著看看如何透過設置記憶體利用以最大化採樣率,從而改進測量結果的示例。在此設置了一個最大採樣率為10GS/s的示波器,以擷取UART訊號的多個數據封包,如2所示。

2:以10MS記錄長度UART訊號的三個包。使標讀取包間距為43.8s包長度為2ms。在此10ms/格時基的設置下,採樣率已降至100MS/s

將示波器時基設置為10ms/格,在使用10MS記憶體時,其採樣率已降低至100MS/s。此設置的有效頻寬是採樣率的一半,即50MHz。

請注意,大部份波形都被封包間的「停滯時間」(deadtime)所佔用。提高採樣率的方法之一是消除封包間的停滯時間,這可以透過序列模式擷取訊號來實現。如此可對擷取記憶體進行分段並僅捕捉封包,從而消除大部份空檔時間並減少所使用的記憶體量。

將示波器設置在序列模式下,並使用相同的2.5MS總記憶體捕捉三個區段,每個區段的持續時間為5ms,如3所示。將記憶體長度減少到2.5MS的效應是使得採樣率從100MS/s提高至500MS/s。

3:使用序列擷取模式來減少使用記憶體並提高樣率。在此的採樣率已提高到500MS/s

由於訊號的頻寬約為14MHz,因此在任一採樣率下,訊號乍看之下幾乎沒有差異,但如果查看訊號下降時間的測量結果,則可發現更明顯的差異(4)。

下降時間是在兩種採樣率下測量的。以100MS/s擷取的波形在邊緣有大約6個樣本,而以500MS/s擷取的波形在邊緣則有30個樣本。所得到的測量結果顯示均值相差約10%。關鍵指標在於以500MS/s擷取的數據標準差為573ps,而另一測量結果顯示的標準差為1.7ns。標準差測量關於平均值的測量值分佈,可說是衡量測量不確定性的良好指標。基本上,以較高採樣率進行的測量具有較小的不確定性。請記住,採樣率直接隨擷取記憶體長度而變化。

4對兩種不同採樣率(100MS/s500MS/s)的下降時間測量結果進行比較,結果顯示以500MS/s下進行的測量具有較低的標準差。

無論儀器內建建多少記憶體,都會遇到測量時沒有足夠記憶體直接進行測量的情況。在這種情況下,可能有必要將測量分解為單獨的計時階段。5是具有高頻分量和低頻分量的波形示例。

5:這是入口閘門遙控器的初始測量結果,它使用390MHz載波的開關鍵控來編碼資訊

圖中的頂部跡線是以10GS/s數位化的初始脈衝。同一波形的放大視圖(跡線Z2)是底部網格中顯示正弦波的紅色跡線。參數P2測得的頻率為標稱390MHz。當在從頂部算起的第二條跡線中以5ms/格擷取整個波形時,問題就開始了。

該擷取的放大跡線出現在從頂部算起的第三條跡線中,以100μs/格顯示。請注意,封包與第一次擷取相同。但有一個區別:該跡線的放大圖(Z3,也即底部網格中的藍色跡線)顯示的卻是頻率為參差不齊的110MHz正弦波。即使最大記憶體長度為25MS,25ms擷取也只能處理500MS/s的採樣率。

當500MS/s不大於390MHz載波頻率的兩倍時,顯然構成問題。這就是為什麼載波的頻率看起來是110MHz,它是混疊的。採樣是一種混頻操作,390MHz載波與500MS/s採樣率混合後就會發生下變頻,產生110MHz的差值,即混疊載波頻率。

所需的測量類型可以分為兩類。第一類是RF測量,主要包括測量載波頻率。第二類是評估低頻調變。第一類測量可以透過單獨擷取RF突波並測量載波來進行,就像使用頂部跡線和頻率參數P2所做的那樣。

第二組測量可以對包含完整訊息的混疊訊號來進行。這樣做行得通,因為訊號是非常窄的頻段,只在大約390MHz時存在能量。可以對混疊訊號進行峰值檢測,而解調的訊號封包將會提供有關編碼及載波選通特性的資訊。分析結果如6所示。

6:對訊號包進行解調和測量必須測量解調訊號包的啟動時間、衰減時間和寬度。包寬度的直方圖驗證了序列編碼中使用三個不同的脈衝寬度。

擷取到的波形顯示在頂部網格中。它包含一個RF載波,並由貌似經過脈衝寬度調變的訊號進行開關鍵控。透過對擷取到的訊號進行峰值檢測,可以恢復調變訊號。峰值檢測是透過擷取調變RF訊號的絕對值,然後對其進行低通濾波而實現。數學跡線F1執行這一處理,它將絕對值與增強解析度(ERES)低通濾波器結合在一起。這顯示在從頂部開始的第二條跡線中。從頂部算起的第三條跡線顯示了解調訊號疊加在解調的載波上。請注意解調訊號追蹤RF訊號的程度。

現在對擷取的解調訊號進行測量,包括上升時間和下降時間以及第一個脈衝的寬度,並對序列數據串流中的所有21個脈衝重複進行測量。上升和下降時間代表鍵控載波的啟動和衰減時間。底部網格中脈衝寬度測量值的直方圖顯示只有三個不同的脈衝寬度500μs、1ms和1.5ms。

由於記憶體有限,即使示波器擷取到完整訊號時無法呈現載波,仍然可以從訊號中獲取大量資訊,但我們必須瞭解正在發生的事情。

擷取記憶體長度是一項重要的規格,它可能影響數位儀器的採樣率和頻寬。記憶體長度決定了任何固定採樣率下的擷取持續時間。記憶體的長度越長,在最高採樣率下可支援的每格時間設置就越大。一旦使用了最大記憶體量,進一步增加每格時間設置,將會導致採樣率降低,從而致使儀器的有效頻寬降低。

(參考原文:Understanding the importance of acquisition memory,by Arthur Pini)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年7月號雜誌

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