為什么示波器的波形更新率非常重要？
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帶寬、采樣率和存儲器深度是工程師選擇數字示波器時(shí)最常使用的評估指標。波形更新率則是另一項重要的考慮因素。示波器采集波形和更新顯示的速率確定了捕獲到隨機和偶發(fā)事件，例如毛刺的概率。這篇應用指南通過(guò)調試應用試圖捕獲隨機和偶發(fā)產(chǎn)生的亞穩態(tài)來(lái)說(shuō)明波形更新率的重要性。通過(guò)使用各種采集模式，我們比較來(lái)自三個(gè)廠(chǎng)家，具有類(lèi)似帶寬和價(jià)格競爭的四種示波器的波形更新率。
當您評估示波器時(shí)，其反應能力會(huì )影響您的決定。為正確感受示波器反應是否敏捷，只需探測相對快的重復信號和觀(guān)看其反應。如果示波器的顯示更新太慢，就會(huì )感到這臺示波器非常遲鈍，因而極不好用。今天一些有較深存儲器的示波器就屬于這種情況，因為處理深存儲器記錄而減慢了更新率。一般來(lái)說(shuō)，如果示波器顯示達到至少每秒二十次更新，所顯示的波形將表現為“實(shí)況”，并感覺(jué)示波器反應敏捷。但波形更新率的重要性遠不止是反應能力這一個(gè)方面。“實(shí)況”感覺(jué)并不能說(shuō)明示波器捕獲到偶發(fā)和隨機事件的概率。
今天的一些示波器廠(chǎng)商宣稱(chēng)更新率達到數十萬(wàn)波形/秒的量級。但人眼并不能辨析這一量級的差別。當您調試高速數字電路時(shí)，由于能增加捕獲偶發(fā)事件的概率，因此示波器更新率達到這一量級至關(guān)重要。如果您要觀(guān)察的是精確重復的信號(無(wú)異常)，那么極快的更新率并不很重要。但當信號并非精確重復即有異常產(chǎn)生時(shí)隨機和偶發(fā)產(chǎn)生的事件會(huì )使您大傷腦筋。更快的更新率能提高捕獲到難解事件的概率，為您的調試提供幫助。
用實(shí)時(shí)采樣捕獲亞穩態(tài)
圖1示出一個(gè)隨機亞穩態(tài)(毛刺)，它在數據信號中平均每50,000個(gè)周期僅產(chǎn)生1次。如果您事先知道該事件為隨機發(fā)生，就可把大多數示波器設置在毛刺條件上觸發(fā)即根據最小脈沖寬度設置示波器從而可靠捕獲示波器各次采集上的毛
刺。但如果您不知道毛刺的存在，就可能只是簡(jiǎn)單探查設計中的不同信號來(lái)驗證正確的信號保真度，因此示波器設置在標準的上升或下降沿條件上觸發(fā)。
由于它們相對慢的更新率，大多數示波器為捕獲偶發(fā)事件，需要采集遠不止是幾秒的數據。如果您打算用一般調試方法，在每一測試點(diǎn)上探測幾秒鐘，并想捕獲到各結點(diǎn)上可能產(chǎn)生的偶發(fā)事件，示波器就必須有極快的更新率。
圖1是用Agilents6000系列示波器捕獲到的毛刺，該示波器甚至能在帶sin(x)/x重建時(shí)，用實(shí)時(shí)采樣達到100,000次/秒的波形更新。在這一更新率下，示波器捕獲到該特用實(shí)時(shí)采樣捕獲亞穩態(tài)定信號的統計概率約為每秒二次。采用專(zhuān)有MegaZoomIII技術(shù)的Agilent示波器實(shí)現了這一業(yè)內領(lǐng)先的更新率。
一旦我們發(fā)現電路存在非預期的行為，就可開(kāi)始進(jìn)一步調試我們的系統。使用混合信號示波器(MSO)的邏輯通道，就能設置跨多個(gè)模擬和數字通道的組合邏輯碼型觸發(fā)條件。它揭示由于時(shí)鐘抖動(dòng)，我們的系統偶爾出現對建立保持時(shí)間指標的超差，如圖2所示。
圖3是嘗試用TektronixTDS3000系列示波器捕獲同樣的異常事件，該示波器采用默認的實(shí)時(shí)采集模式，具有10k點(diǎn)的最大存儲器。由于在此特定條件下的示波器更新不到每秒800次，把探頭放在測試點(diǎn)上10秒后，我們未捕獲到任何異常。在這一更新率下，一般需要在該測試點(diǎn)上探測1分鐘，才能捕獲到每50,000個(gè)周期平均僅產(chǎn)生一次的一個(gè)偶發(fā)毛刺。
如果您猜想可能存在偶發(fā)毛刺，而讓示波器處于快觸發(fā)模式，該模式把示波器的存儲器深度限制為500點(diǎn)，以提高其更新率。因此在調試數字系統時(shí)，您必須確定是采樣率和存儲器深度，還是更新率更為重要。但即使是在采集的專(zhuān)門(mén)快觸發(fā)模式，此設置(10ns/div)下也僅把更新率改進(jìn)到約3,000波形/秒，為捕獲到一個(gè)毛刺，需要保持探頭與測試點(diǎn)約20秒的接觸。如果您打算用一般調試方法，在每一測試點(diǎn)上探測幾秒鐘，使用任何一種采集模式都可能丟失這一事件。
圖4是使用Tektronix高性能TDS5000系列示波器的類(lèi)似例子，它有100,000波形/秒的標志性波形3用實(shí)時(shí)采樣捕獲亞穩態(tài)(續)更新率指標。但由于其默認的實(shí)時(shí)采集更新率被限制為只有60波形/秒，因此捕獲到該異常仍?xún)H有很低的概率。雖然60波形/秒對于示波器的“實(shí)況”感覺(jué)是足夠快的，但為捕獲到僅僅一個(gè)毛刺，需要把探頭放在測試點(diǎn)上的平均時(shí)間將近14分鐘。
圖5是嘗試用LeCroyWaveSurfer400系列示波器默認的實(shí)時(shí)采集模式捕獲同樣的異常事件。由于在此時(shí)基設置下示波器的實(shí)時(shí)更新率僅165波形/秒，把探頭放在測試點(diǎn)上10秒后，我們未捕獲到任何異常。為使用LeCroyWaveSurfer示波器捕獲該毛刺，需要在該測試點(diǎn)上探測將近5分鐘。
使用專(zhuān)門(mén)的采集模式
在使用四種不同示波器實(shí)時(shí)采集模式的上述例子中，只有采用MegaZoom技術(shù)的AgilentMSO6000系列示波器能可靠捕獲偶發(fā)的亞穩態(tài)(圖1)。但使用其它“專(zhuān)門(mén)”采集模式時(shí)情況又會(huì )如何呢?如前所述，TektronixTDS5000系列示波器宣稱(chēng)具有高于100,000波形/秒的標志性波形更新率指標。該更新率對捕獲偶發(fā)事件(50,000周期中的1個(gè))應是足夠的。使用Tektronix的FastAcq采集模式，TDS5000系列示波器確能以超過(guò)100,000/秒的采集捕獲波形，如圖6所示。但為使用這一工作模式，您必須作出多方面的權衡。該FastAcq模式：
·把示波器的最大采樣率限制為1.25GSa/s
·限制存儲器深度
·禁用波形運算
·禁用sin(x)/x重建
·禁用點(diǎn)連接
·禁用對捕獲波形的平移和縮放能力
FastAcq基本上是一種專(zhuān)門(mén)的等效時(shí)間/重復采樣模式，在功能和性能上有許多權衡。在您使用這種模式時(shí)要了解這些權衡。使用這一專(zhuān)門(mén)的采集模式，我們能夠可靠捕獲偶發(fā)的亞穩態(tài)，在顯示上示出的結果是離散點(diǎn)而不是完整的波形。
定義完整波形
并非所有建立的波形都相同。您如何定義一個(gè)完整的波形?根據定義，當您使用帶重建sin(x)/x的實(shí)時(shí)采樣時(shí)，每一次采集將產(chǎn)生一個(gè)包括最小為500至1000點(diǎn)的完整波形。但當您使用等效時(shí)間/重復采樣，包括TDS5000系列示波器的
Tektronix的FastAcq模式時(shí)，各重復采集周期將產(chǎn)生不完整的波形，越快的時(shí)基范圍上有越寬的樣本間距。以200ps/div為例，Tektronix的FastAcq模式在每一個(gè)采集周期只產(chǎn)生2.5點(diǎn)(平均)，這是因為示波器被限制為只有1.25GSa/s的最大采樣率。這樣的點(diǎn)數對于定義一個(gè)完整波形是不足的。雖然這些示波器在使用FastAcq時(shí)能保持超過(guò)100,000采集/秒的采集率，但在此設置下并不能每秒產(chǎn)生100,000個(gè)完整波形。
因此為比較使用等效時(shí)間采樣技術(shù)的各種競爭示波器的波形/秒，必須規范為在較快時(shí)基范圍的采集率，從而計算“完整”波形/秒的更新率。
在這篇應用指南中為進(jìn)行有實(shí)際意義的比較，我們把完整波形的標準定為最小500點(diǎn)。在10ns/div(這是捕獲我們亞穩態(tài)所用的時(shí)基設置)時(shí)，Tektronix的FastAcq模式有140,000采集/秒的測量采集率。但由于該采集模式把示波器的最大采樣率限制為僅1.25GSa/s，因此每次
采集只產(chǎn)生125點(diǎn)。如果我們使用500點(diǎn)的規范化系數，可看到Tektronix示波器約每秒產(chǎn)生35,000個(gè)完整的或規范化的波形(采集率/)，這是相當不錯的，但它約為此設置時(shí)AgilentMSO6000系列示波器波形更
新率的1/3而且對Agilent示波器來(lái)說(shuō)，您不需要選擇專(zhuān)門(mén)的采集模式，以及由此帶來(lái)的權衡。
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