2021年05月28日 | 示波器波形更新速率决定偶发事件捕获概率

在购买示波器时，评测一下波形更新速率非常重要。尽管这一技术指标经常受到忽视，但它可能会直接影响到您捕获随机和偶发事件的能力，一百万个信号里可能只有一个信号会发生此类事件。快速更新速率之所以对当今的示波器至关重 要，原因主要有三个：

1． 示波器性能。如果示波器更新波形的速度非常慢，那么示波器用起来会特别不方便。当您旋转时基控制旋钮时，您希望示波器立即做出响应，而不是在 示波器处理完数据后好几秒钟才反应过来。

2． 详细的显示。快速的波形更新速率可以提高示波器的显示质量，显示出细微混合信号示波器 的波形细节，例如通过显示亮度调节来显示噪声和抖动。

3． 毛刺捕获。快速的波形更新速率能增加示波器捕获信号中随机和偶发事件的概率，这样的信号可能是不可靠的。

示波器波形更新速率是一个重要的技术指标，但更新速率指标本身可能会产生误导。即使示波器的技术资料中注明它有很快的更新速率，但它仍然可能无法捕获系统中的毛刺。了解如何测量示波器的实际更新速率，然后对不同品牌示波器的毛刺捕获能力和更新速率进行比较。

什么是示波器的静寂时间 ？

在对新设计进行调试时，波形和解码更新速率有很重要的意义，尤其是在试图找到偶发或间歇性问题并进行调试时。更快的波形和解码更新速率可以让示波器有更高概率捕获到难以捉摸的事件。要理解这一点，您必须首先了解示波器的静寂时间（有时称为“盲区时间"）。所有示波器都有静寂时间，如图1所示。这是示波器采集信号与示波器处理所采集的波形并在示波器屏幕上显示出来两者之间的时间。在这个静寂时间内，对于您正在调试的设计中可能发生的任何信号活动，示波器基本上是'盲'的。

图1．示波器静寂时间与显示采集时间。

图1中突出显示的毛刺发生在示波器的静寂时间内。在两个示波器采集周期后，示波器的显示屏上并不会显示这些毛刺。一旦知道仪器的更新速率，确定示波器的静寂时间百分比就很简单了。用示波器的采集周期时间减去屏幕采集时间，再除以示波器的采集周期时间，就可以得到示波器的静寂时间百分比。示波器的采集周期时间就是示波器波形更新速率的倒数，必须针对所用的特定设置条件进行测量得到。

示波器的静寂时间通常比屏幕采集时间长几个数量级，即使在可能指定非常快更新速率的示波器上也是如此。这意味着在示波器上捕获偶发和难以捉摸的事件，就是一场基于几种不同设置参数的概率博弈。在示波器上捕获随机事件的概率与掷骰子时得到特定数字的概率类似。

通过掷骰子得出的结论

当您掷一个六个面的骰子时，掷出骰子特定面朝上的概率是六分之一。那么，如果您掷两次骰子，至少掷出一次特定面朝上的概率是多少？有人可能会说是六分之二，即33.3％。如果这个理论是正确的话，那么掷10次骰子掷出至少一次特定面朝上的概率就会大于100％。显然这是不可能的。一个"S”个面的骰子，掷出“N"次之后，至少有一次特定面朝上的概率(PN)可以通过以下公式计算：

为了理解这个公式，我们先想一想怎么计算不是特定面朝上的概率。掷一次骰子得到不是特定面朝上的概率是(S-1)/S。对于6个面的骰子而言，就是5/6。掷骰子的次数越多(N)，得到不是特定面朝上的概率会呈指数下降。这意味着得到特定面朝上的概率增加，但这个概率永远不会达到或超过100％。

对于示波器捕获概率而言，"S”是异常事件的平均发生时间与示波器显示窗口时间的比率。例如，如果毛刺每10 ms发生一次（每秒100次），并且示波器的时基设置为20 ns/格，那么屏幕采集窗口为200纳秒（因为屏幕上有10格），S=10 ms／200 ns，即50,000。

示波器要想提高在固定时间段内捕获偶发毛刺的概率，必须尽可能快地多次采集信号。这就是公式里的示波器的波形更新速率因数。"N"现在是示波器的采集次数，等于示波器的波形更新速率乘以合理的观察时间。观察时间是指将探头移动到另一个测试点之前，您愿意花多长的时间在示波器显示屏上查看波形以确定其是否正常。

图2．仅在一面有“毛刺”的多面体骰子。

确定示波器的实际波形更新速率

示波器的波形更新速率受到许多因素影响。示波器的时基设置通常是影响更新速率的主要设置条件，因为它决定了采集显示时间窗口。当您将示波器的时基调整为每格更长时间的设置时，示波器将数字化更长的波形。例如，在2 ms/格时，示波器的屏幕采集时间为20 ms。如果示波器的静寂时间为零（这在理论上是不可能的），那么绝对最佳波形更新速率将是每秒50个波形(1/20 ms)。您的示波器的实际更新速率是多少？

为了了解示波器的实际波形和解码更新速率，您必须在预期使用的各种设置条件下对速率进行测量。这项任务比较简单，因为大多数示波器都提供触发输出信号，该信号通常用于将其他仪器与示波器的触发同步。您可以使用外部计数器测量这个输出触发信号的平均频率，以此来测量示波器的更新速率。请记住，用作示波器输入触发源的信号的潜在触发速率必须超出示波器的预期更新速率。否则，示波器的更新速率将受到较低触发速率的限制。

表1、表2和表3并排显示了100 MHz、500 MHz和1 GHz带宽示波器测得的波形更新速率，这些示波器的价格都很有竞争力。测试首先要将每个示波器的设置条件默认设置为只开启一个通道。通过选择最小的采集存储器来提供最大可用采样率，可以在每个时基范围内对存储器深度加以优化。Keysight MegaZoom 技术可自动执行此功能。

测得的波形更新速率（100 MHz带宽示波器）

表1．极具价格优势的100 MHz带宽示波器的最佳波形更新速率。

测得的波形更新速率（500 MHz和1 GHz带宽示波器）

表2．极具价格优势的500 MHz和1 GHz带宽示波器的最佳波形更新速率。

测得的波形更新速率（1 GHz带宽示波器）

表3．极具价格优势的1 GHz带宽示波器的最佳波形更新速率。

毛刺捕获特性比较

我们使用上述概率和静寂时间计算公式，对两台性能特性和价格相近的1 GHz带宽示波器进行了测量特性比较。 我们的比较使用了一个电路，它大约每秒生成五次随机亚稳态（偶发毛刺），每台示波器都采用默认设置 (Default Setup)选项。由于毛刺的宽度在5到15纳秒之间，这一特定测量的最佳时基设置为10 ns/格。为了最大限度地提高每个示波器的更新速率，我们没有激活测量、波形计算、串行总线分析或数字采集通道等特殊功能。

此外，每台示波器激活了五秒的可变余辉，这不会影响两台示波器的最佳波形更新速率。我们使用了每台示波器的默认“上升沿"触发条件，触发电平设置为~68 mV，因此如果在示波器采集期间发生毛刺，我们就能鸲在屏幕中心附近观察到亚稳态。为了确定在每台示波器上捕获毛刺的概率，我们取五秒钟作为合理的观察时间进行计算。

在图3中，Keysight 3000 X 系列示波器能够在五秒内持续地捕获并显示随机和偶发的亚稳态。

图3．MSO 3000 X 系列示波器在以1,030,000个波形/秒的速率进行更新时，可靠地捕获到偶发的亚稳态。

在Keysight 3000 X 系列示波器上，这一测量的静寂时间百分比确定为：

尽管这个示波器的时基设置为10 ns/格，静寂时间百分比约为90％（看起来可能太长），但在五秒钟内捕获毛刺的概率实际上非常高。该示波器的捕获概率通过以下公式计算确定，其中U和W与上面的值相同：

结论

更新速率直接决定了示波器的静寂时间百分比以及捕获和显示随机电路问题的概率。请注意，当您在比较示波器时，可能会看到宣称的更新速率技术指标，但是在某些应用中，可能无法达到这个速率。

虽然本文重点描述了示波器在使用模拟采集通道时的最佳波形更新速率，但请注意，如果使用数字采集通道和/或串行总线解码时，大多数示波器的波形更新速率会显著降低，尤其是在启用深存储器时。

如果您只使用示波器通道，Keysight lnfiniiVision系列示波器能鸲提供业内较快的波形更新速率〈>1,000,000个波形／秒），并且在使用逻辑采集通道和/或串行总线解码时，仍能保持这样怏的更新速率，这在业界的 MSO 中并不多见。lnfiniiVision DSO 和 MSO 通过更高水平的硬件集成( MegaZoom 技术）实现卓尔不群的更新速率，最大限度地缩短了示波器的静寂时间，并显著增加了您捕获系统毛刺的概率。