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力科:示波器的采样率和存储深度(二)

2009/6/15/08:59 来源:慧聪教育网

    在谈完采样率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500MHz,分辨率为10kHz,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=1/10kHz=100ms,对于具有100kB存储器的数字示波器,可以分析的最高频率为:

    △f×N/2=10kHz×100kB/2=500MHz

图11 示波器的FFT运算

图11 示波器的FFT运算

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    在图12所示的例子中,266MHz信号受到来自30kHz噪声源的捡拾噪声的影响。FFT(下方的轨迹)显示了以266MHz为中间、相距30kHz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。

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