[技術小學堂] 示波器記憶體的長短之爭

適⽤用對象:入⾨者及使用者
準備者: 克達科技應⽤部 / 2020年年7⽉月13⽇



示波器記憶體的長短一直以來都有其愛護者, 愛好長記憶體用戶認為可以取得更多的訊號資料, 另一派愛護者則認為記憶體太長會使示波器運作起來呈現 Lag 現象對於debug 來說運作速度比記憶體長更重要,因此了解記憶體架構才能正確的選擇或使用.。


記憶體工作架構

如圖一所示我們稱之為CPU 系統架構,訊號經由ADC轉換(轉成數位訊號)後依序將數據存進記憶體接著將記憶體資料傳到Plotter(繪圖)最後由CPU計算過後傳往螢幕

從硬體工作流程來看 ADC —> Memory —> Plotter —> CPU —> Display 為串行的方式進行, 因此可以判斷當記憶體長度較深(20Mpts) 時 Plotter 及 CPU 的工作效率將因資料量變大而下降, 若此時再開將CPU負責運算的 Math,decode ,Average ,measurement 功能開啟 CPU 效率將明顯的下降, 這也就是為何早期的示波器開啟 深度記憶體時示波器會明顯效能下降反應速度會變的相當緩慢,我們後面會針對這部份進行討論.


記憶體與時間的關係

Memory length = Sample rate x record time
當記憶體長度不變下, 隨著紀錄時間(record time)的拉長 , 取樣率(sample rate)會跟著下降 , 因此長記憶體的示波器可儲存的取樣點較多因此在實務上長記憶體可以維持較長時間的取樣率來還原波形因此在某些應用是非常適合的, 例如用戶需要待測物從開機開始一直到穩態及再度關機這段時間的波形都需要被紀錄時 , 長記憶體的示波器就非常適合。

記憶體越長越好嗎?

一切順利的話, 答案則是肯定的, 可惜的是如第一段所述串列式的CPU架構會因為記憶體的長度大幅降低效能讓整個設備的反應速度變得相當緩慢, 這個緩慢的速度甚至連眼睛都可以觀察出來, 用戶也許會問這個速度快與慢對於使用這到底有什麼影響? 答案是示波器因反應速度的下降將丟失許多寶貴資訊進而導致工程師誤判


圖二綠色的區塊(Acquire time) 為示波器進行訊號擷取直到記憶體存滿後進入紅色區塊(Dead time), 此時示波器CPU正在處理記憶體裡所存放的資料, 因此在Dead Time區塊裡示波器是停止擷取工作一直到資料處理完畢後進到下一次的綠色區塊(Acquire Time)才會再度進行資料擷取及運算, 因此在 Dead Time 區塊中的異常訊號(如上圖圈取所示) 示波器是沒有抓取到的, 這個現象的產生就是因為記憶體長度所造成的結果。

上述的現象我們又稱之為更新率(Update Rate) , 示波器更新率的速度與記憶體成反比記憶體越長更新率就會越低, 因此用戶在使用示波器時必須注意當下使用的記憶體長度配置 。

記憶體及更新率該如何兼顧

全部符合是最佳策略但實務上是不可能的 , 市面上高更新率的規格可達100萬次每秒但記憶體只能達4Mpts ,長記憶體的方案動輒20Mpts 但在記憶體全開時更新率只能達5,000次每秒若同時開啟量測或運算功能時更新速率將低到30秒更新一次甚至更低。 因此在選購示波器時完整先定義示波器用途可在第一時間排除部份規格這樣一來用戶就不用掉入規格選擇的旋窩裡, 我們整理了下列重點
先界定示波器的主要用途
1. Debug : 快速得知波形是否符合設計
2. Analysis : 要進行 眼圖, 一致性測試 ,長時間紀錄

MEGA ZOOM 架構示波器

Maga zoom 圖三架構下的 CPU 的工作就是專注在量測 , 運算 。 搜尋等功能, CPU 負載大幅下降 , 記憶體在存滿取樣後由Plotter 繪圖完成後直接傳輸至顯示螢幕使得 CPU 無需再負擔成圖, 這個簡易的分工大大提升了示波器整體效率, 當然這一切都歸功於 MagaZoom ASIC IC 的設計, 將功能進行了完美分工, 將Memory , Decode , Trigger , AWG , GUI 等全部設計在一顆ASIC 裡, 因此功能區塊的互相溝通時間大幅降低進而使示波器的反應速度大幅度提升也就是我們文章中討論的更新率(Update Rate) 大幅提升。



CPU VS MEGAZOOM 的比較

記憶體管理有兩種管理方式:
1. 自動調整
2. 手動調整

從表一可以發現在自動調整的示波器可以在不同時基設置時自動調配記憶體深度來維持一樣的取樣率 , 反觀手動調整的示波器則必須依據時基的不同來調整示波器深度 , 對於使用者來說自動配置的示波器將更符合人性的工作模式。

更新率也可以由表一 明顯看到差異 CPU 架構的示波器明顯慢了非常多的級數, 因此基於記憶體的配置方式及更新率的差異 MagaZoom架構的示波器對於使用者來說將更省時省力。

請參考下列產品連結:
Keysight 3000 series Scope
Keysight 4000 series Scope
Keysight 6000 series Scope


結論

更新率在示波器數位化後就是一直被忽略的重點, 大部分用戶只記得 取樣率及記憶體的規格如何影響量測但卻忽略了更新率對於量測來說更是重要, 我們建議在考慮記憶體及取樣率規格同時務必將示波器更新率放進考率重點規格之一。

Keysight 的示波器同時有長記憶體示波器及高速更新率示波器兩種不同定位機種, 如同文章一開始建議, 在進行評估時就要決定示波器要長記憶體(用於分析)或是高更新率(用於Debug), 因為這兩者是不會並存在同一台示波器上, 記憶體越長就注定了更新速率越慢, 基於如此 Keysight 在長記憶體的機種其更新率依舊是高於業界同規格機種 如下列建議設備及連結。
S-Series 示波器: 記憶長度1Gpts
MXR Series 示波器: 記憶長度:400Mpts


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