數(shù)字示波器死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率影響測(cè)量結(jié)果

發(fā)展到今天，傳統(tǒng)的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野，數(shù)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(diào)試的最常用的一種儀器設(shè)備了。你是否覺(jué)得示波器提供給了被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的無(wú)信號(hào)狀態(tài)，通常把這段丟失信號(hào)的時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。

什么是死區(qū)時(shí)間

要想了解死區(qū)時(shí)間的來(lái)源，需要先對(duì)數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本的了解。數(shù)字示波器的典型組成框圖如圖1、圖2所示。

圖1：傳統(tǒng)數(shù)字示波器組成框圖。

圖2：R&S公司RTO系列示波器組成框圖。

被測(cè)信號(hào)通過(guò)輸入通道進(jìn)入示波器，并通過(guò)垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)按照固定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將各個(gè)信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，稱為“樣本點(diǎn)”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能，例如樣本抽取，默認(rèn)一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點(diǎn)(samples)存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)目用戶可以通過(guò)記錄長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)用戶的需求，還可以對(duì)這些樣本點(diǎn)進(jìn)一步后處理。后處理任務(wù)包括算數(shù)功能(例如求平均值)、數(shù)學(xué)運(yùn)算(例如FIR濾波)、自動(dòng)測(cè)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(cè)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(hào)分析等等。

對(duì)于數(shù)字示波器而言，基本上對(duì)波形樣本執(zhí)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(zhí)行，或者使用專用的ASIC或FPGA硬件執(zhí)行，具體取決于示波器的結(jié)構(gòu)。最終結(jié)果隨后通過(guò)示波器的顯示屏呈現(xiàn)給用戶。

從圖1和圖2中可以看到R&S RTO系列示波器和傳統(tǒng)數(shù)字示波器的在信號(hào)處理過(guò)程上的區(qū)別，它使用了專門獨(dú)立開(kāi)發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)波形樣本的后處理，如通道校準(zhǔn)、樣本抽取、數(shù)字濾波、math、直方圖測(cè)量、模板測(cè)試以及FFT、自動(dòng)測(cè)量、協(xié)議解碼等等，大大降低了主處理器的工作負(fù)荷，同時(shí)在RTO芯片中用數(shù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fèi)的時(shí)間。

示波器從信號(hào)采樣捕獲到波形樣本的處理顯示這一周期，稱為捕獲周期，在前一個(gè)捕獲周期結(jié)束后，示波器才能夠捕獲下一個(gè)新波形。所以，數(shù)字示波器將捕獲周期的大部分時(shí)間都用于對(duì)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(hào)狀態(tài)，無(wú)法繼續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)信號(hào)。從根本上來(lái)說(shuō)，死區(qū)時(shí)間就是數(shù)字示波器對(duì)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(qū)時(shí)間周期組成。在有效捕獲時(shí)間內(nèi)，示波器按照用戶設(shè)定波形樣本數(shù)進(jìn)行捕獲，并將其寫(xiě)入采集存儲(chǔ)器中。捕獲的死區(qū)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(gòu)本身?？勺儠r(shí)間則取決于處理所需的時(shí)間，它與設(shè)定的捕獲樣本數(shù)(記錄長(zhǎng)度)、水平刻度、采樣率以及所選后處理功能(例如，插值、數(shù)學(xué)函數(shù)、測(cè)量和分析)多少都有直接關(guān)系。死區(qū)時(shí)間和捕獲周期之比死區(qū)時(shí)間比也是示波器的一個(gè)重要特性，捕獲周期的倒數(shù)就是波形捕獲率。

圖3：數(shù)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(shù)為1k，采樣率為10G)，而死區(qū)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(qū)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(guī)測(cè)量模式下面的波形捕獲率都在幾百次的量級(jí)，R&S公司最新的RTO系列示波器在同等條件下可以實(shí)現(xiàn)最高1，000，000次的波形捕獲率，死區(qū)時(shí)間比可以降低到90%一下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到50，000次/秒的波形捕獲率，其死區(qū)時(shí)間比也高達(dá)99.5%以上。

死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

很多工程師在硬件調(diào)試過(guò)程中可能遇會(huì)到過(guò)這樣的情形：在調(diào)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(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一運(yùn)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(hào)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。現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)示波器的死區(qū)時(shí)間已經(jīng)有了清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)于上面的情形還有一種可能就是示波器漏掉了導(dǎo)致系統(tǒng)故障的偶發(fā)信號(hào)，圖4可以很形象的說(shuō)明這一問(wèn)題：

圖4：示波器死區(qū)時(shí)間導(dǎo)致丟失關(guān)鍵偶發(fā)信號(hào)。

由于示波器死區(qū)時(shí)間的存在，導(dǎo)致示波器可能漏掉關(guān)鍵的異常信號(hào)，而給用戶顯示一個(gè)帶有欺騙性的結(jié)果，最終誤導(dǎo)用戶的判斷，會(huì)大大延長(zhǎng)調(diào)試時(shí)間，降低調(diào)試效率。

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

公式1：

P：捕獲偶發(fā)重復(fù)信號(hào)事件的概率[單位是%]

GlitchRate：信號(hào)故障頻率(例如，重復(fù)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(zhǎng)度/采樣速率，或記錄長(zhǎng)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(cè)量時(shí)間[單位是s]

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

公式2：

假定某個(gè)信號(hào)帶一個(gè)有每秒重復(fù)10次的異常。該信號(hào)本身以數(shù)據(jù)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(jì)算100ns的有效捕獲時(shí)間。為了確保捕獲所需信號(hào)事件的置信度較高，需要使用99.9%的概率。現(xiàn)在，所需的測(cè)試時(shí)間取決于示波器的波形捕獲率。下表統(tǒng)計(jì)了幾種不同的波形捕獲率所對(duì)應(yīng)的所需測(cè)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(fù)異常信號(hào)所需時(shí)間。

雖然R&S的RTO系列示波器在該條件下的死區(qū)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(xiàn)偶發(fā)異常信號(hào)能力確是成數(shù)量級(jí)的上升，可以幫助工程師極大的提高調(diào)試效率。試問(wèn)：有幾位工程師在檢查每一個(gè)信號(hào)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(zhǎng)度、采樣率的設(shè)置都有關(guān)系，在實(shí)際測(cè)量中，如何根據(jù)實(shí)際的被測(cè)信號(hào)在這些參數(shù)設(shè)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(diào)試效率，這是工程師在數(shù)字示波器使用過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，這一部分會(huì)在以后文章中專門討論。