數字示波器死區時(shí)間和波形捕獲率影響測量結果

發(fā)展到今天，傳統的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野，數字示波器幾乎已經(jīng)取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調試的最常用的一種儀器設備了。你是否覺(jué)得示波器提供給了被測信號的所有信息呢?事實(shí)上，示波器在大部分時(shí)間都處在一個(gè)無(wú)法檢測信號的無(wú)信號狀態(tài)，通常把這段丟失信號的時(shí)間稱(chēng)為死區時(shí)間。

什么是死區時(shí)間

要想了解死區時(shí)間的來(lái)源，需要先對數字示波器的結構有一個(gè)基本的了解。數字示波器的典型組成框圖如圖1、圖2所示。

圖1：傳統數字示波器組成框圖。

圖2：RS公司RTO系列示波器組成框圖。

被測信號通過(guò)輸入通道進(jìn)入示波器，并通過(guò)垂直系統中的衰減器和放大器加以調節。模數轉換器(ADC)按照固定的時(shí)間間隔對信號進(jìn)行采樣，并將各個(gè)信號振幅轉換成離散的數字值，稱(chēng)為“樣本點(diǎn)”。采集模塊隨后則執行處理功能，例如樣本抽取，默認一般都為采樣模式。輸出數據作為樣本點(diǎn)(samples)存儲在采集存儲器中。存儲的樣點(diǎn)數目用戶(hù)可以通過(guò)記錄長(cháng)度進(jìn)行設置。

根據用戶(hù)的需求，還可以對這些樣本點(diǎn)進(jìn)一步后處理。后處理任務(wù)包括算數功能(例如求平均值)、數學(xué)運算(例如FIR濾波)、自動(dòng)測量(例如上升時(shí)間或下降時(shí)間)以及分析功能(例如直方圖或模板測試)。其他后處理例如還包括協(xié)議解碼、抖動(dòng)分析和矢量信號分析等等。

對于數字示波器而言，基本上對波形樣本執行的處理步驟沒(méi)有任何限制。這些后處理功能或者使用軟件通過(guò)該儀器的主處理程序執行，或者使用專(zhuān)用的ASIC或FPGA硬件執行，具體取決于示波器的結構。最終結果隨后通過(guò)示波器的顯示屏呈現給用戶(hù)。

從圖1和圖2中可以看到RS RTO系列示波器和傳統數字示波器的在信號處理過(guò)程上的區別，它使用了專(zhuān)門(mén)獨立開(kāi)發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來(lái)實(shí)現波形樣本的后處理，如通道校準、樣本抽取、數字濾波、math、直方圖測量、模板測試以及FFT、自動(dòng)測量、協(xié)議解碼等等，大大降低了主處理器的工作負荷，同時(shí)在RTO芯片中用數字觸發(fā)取代了模擬觸發(fā)電路，消除了模擬觸發(fā)電路帶來(lái)的觸發(fā)抖動(dòng)，傳統的中高端示波器為了減小這部分抖動(dòng)，需要大量的DSP后處理。硬件結構上的創(chuàng )新，極大的縮短了RTO示波器波形樣本后處理所耗費的時(shí)間。

示波器從信號采樣捕獲到波形樣本的處理顯示這一周期，稱(chēng)為捕獲周期，在前一個(gè)捕獲周期結束后，示波器才能夠捕獲下一個(gè)新波形。所以，數字示波器將捕獲周期的大部分時(shí)間都用于對波形樣本的后處理上，在這一處理過(guò)程中，示波器就處于無(wú)信號狀態(tài)，無(wú)法繼續監測被測信號。從根本上來(lái)說(shuō)，死區時(shí)間就是數字示波器對波形樣本后處理所需要的時(shí)間。

圖3顯示了一個(gè)波形捕獲周期的示意圖。捕獲周期由有效捕獲時(shí)間和死區時(shí)間周期組成。在有效捕獲時(shí)間內，示波器按照用戶(hù)設定波形樣本數進(jìn)行捕獲，并將其寫(xiě)入采集存儲器中。捕獲的死區時(shí)間包含固定時(shí)間和可變時(shí)間兩部分。固定時(shí)間具體取決于各個(gè)儀器的架構本身?？勺儠r(shí)間則取決于處理所需的時(shí)間，它與設定的捕獲樣本數(記錄長(cháng)度)、水平刻度、采樣率以及所選后處理功能(例如，插值、數學(xué)函數、測量和分析)多少都有直接關(guān)系。死區時(shí)間和捕獲周期之比死區時(shí)間比也是示波器的一個(gè)重要特性，捕獲周期的倒數就是波形捕獲率。

圖3：數字示波器的一個(gè)捕獲周期。

例如，如果有效捕獲時(shí)間是100ns(樣本數為1k，采樣率為10G)，而死區時(shí)間是10ms，那么整個(gè)捕獲周期所用的時(shí)間是10.0001ms。由此得到的死區時(shí)間比是99.999%，而波形捕獲率是每秒不到100個(gè)波形。目前市場(chǎng)上大部分示波器在常規測量模式下面的波形捕獲率都在幾百次的量級，RS公司最新的RTO系列示波器在同等條件下可以實(shí)現最高1，000，000次的波形捕獲率，死區時(shí)間比可以降低到90%一下，遠遠要高出其他示波器。有些帶寬≤1G的示波器在其最高采樣率下，可以達到50，000次/秒的波形捕獲率，其死區時(shí)間比也高達99.5%以上。

死區時(shí)間和波形捕獲率對測量結果的影響

很多工程師在硬件調試過(guò)程中可能遇會(huì )到過(guò)這樣的情形：在調試的后期階段，電路板主要器件的焊接基本完成，在進(jìn)行功能驗證過(guò)程中，發(fā)現系統一運行沒(méi)多久就會(huì )出故障，但是通過(guò)示波器查看關(guān)鍵的時(shí)鐘和使能信號都“沒(méi)有問(wèn)題”，最終將故障原因定為在軟件原因，然后逐行檢查代碼，進(jìn)行軟件優(yōu)化?，F在已經(jīng)對示波器的死區時(shí)間已經(jīng)有了清晰的認識，對于上面的情形還有一種可能就是示波器漏掉了導致系統故障的偶發(fā)信號，圖4可以很形象的說(shuō)明這一問(wèn)題：

圖4：示波器死區時(shí)間導致丟失關(guān)鍵偶發(fā)信號。

由于示波器死區時(shí)間的存在，導致示波器可能漏掉關(guān)鍵的異常信號，而給用戶(hù)顯示一個(gè)帶有欺騙性的結果，最終誤導用戶(hù)的判斷，會(huì )大大延長(cháng)調試時(shí)間，降低調試效率。

根據公式1，如果波形捕獲時(shí)間(即，樣本數×分辨率，或10×水平刻度)、波形捕獲率和信號事件發(fā)生速率(例如脈沖干擾的重復速率)均已確定，那么增加測量時(shí)間，會(huì )加大捕獲并顯示信號事件的概率：

公式1：

P：捕獲偶發(fā)重復信號事件的概率[單位是%]

GlitchRate：信號故障頻率(例如，重復脈沖干擾)[單位是1/s]

T：有效捕獲時(shí)間或波形顯示時(shí)間(記錄長(cháng)度/采樣速率，或記錄長(cháng)度×分辨率，或10×時(shí)間量程/格)[單位是s]

AcqRate：波形捕獲率[單位是wfms/s]

Tmeasure：測量時(shí)間[單位是s]

如果知道概率，對公式1進(jìn)行變換，可以計算捕獲該偶發(fā)信號所需時(shí)間：

公式2：

假定某個(gè)信號帶一個(gè)有每秒重復10次的異常。該信號本身以數據形式顯示在示波器上，所采用的水平刻度為10ns/div。如果所用顯示屏有10個(gè)水平格，則可以計算100ns的有效捕獲時(shí)間。為了確保捕獲所需信號事件的置信度較高，需要使用99.9%的概率?，F在，所需的測試時(shí)間取決于示波器的波形捕獲率。下表統計了幾種不同的波形捕獲率所對應的所需測試時(shí)間。

表1：在概率為99.9%(T=100ns，GlitchRate=10/s)的條件下，捕獲重復異常信號所需時(shí)間。

雖然RS的RTO系列示波器在該條件下的死區時(shí)間比還有接近90%左右，但是相比于其他死去時(shí)間比在99.5%以上的示波器，其發(fā)現偶發(fā)異常信號能力確是成數量級的上升，可以幫助工程師極大的提高調試效率。試問(wèn)：有幾位工程師在檢查每一個(gè)信號時(shí)可以在示波器上看超過(guò)7秒鐘時(shí)間呢?

前面也提到，波形捕獲率和水平刻度、記錄長(cháng)度、采樣率的設置都有關(guān)系，在實(shí)際測量中，如何根據實(shí)際的被測信號在這些參數設置中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，以最高的捕獲概率查看波形，提高調試效率，這是工程師在數字示波器使用過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，這一部分會(huì )在以后文章中專(zhuān)門(mén)討論。