淺談數(shù)字示波器的死區(qū)時(shí)間問題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器越來越先進(jìn)，波形刷新率已經(jīng)成為了數(shù)字示波器僅次于帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度之后的第四大技術(shù)指標(biāo)。說到波形刷新率的意義就是和死區(qū)時(shí)間息息相關(guān)了。

死區(qū)時(shí)間是數(shù)字示波器與生俱來的一個(gè)缺陷，目前階段是無法消除的，只能夠盡力減小。不同于模擬示波器采用電子束直接打在熒光屏上的顯示模式，數(shù)字示波器是一個(gè)典型的“前端數(shù)據(jù)采集+后端數(shù)字信號(hào)處理”系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)都有這樣一個(gè)特點(diǎn):前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC的輸出數(shù)據(jù)吞吐量比后端數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的處理能力大很多，這就意味著后端無法“實(shí)時(shí)”處理前端輸出的數(shù)據(jù)，從而形成“死區(qū)”時(shí)間。例如:SIGLENT（深圳市鼎陽(yáng)科技有限公司）最新的數(shù)字示波器SDS2000系列的ADC采樣率為2GSa/S，即每秒輸出2G個(gè)數(shù)據(jù)，但后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理器每秒處理、顯示波形的能力只能達(dá)到幾百兆點(diǎn)每秒，也就是說處理器1秒只能夠處理采集到的幾百兆個(gè)點(diǎn)，剩下的數(shù)據(jù)都被丟棄，被丟棄的這些數(shù)據(jù)就是死區(qū)時(shí)間。

如圖一所示，

圖一

圖中顯示了一個(gè)波形捕獲周期也就是信號(hào)一個(gè)周期的示意圖。捕獲周期長(zhǎng)度由有效捕獲時(shí)間和死區(qū)時(shí)間組成。在有效捕獲時(shí)間內(nèi)，數(shù)字示波器按照用戶設(shè)定的采樣率進(jìn)行捕獲，并將其寫入RAM中。死區(qū)時(shí)間可分為固定死區(qū)時(shí)間和變動(dòng)死區(qū)時(shí)間兩部分。固定死區(qū)時(shí)間具體取決于當(dāng)前數(shù)字示波器自身的情況，如FPGA/DSP等芯片的計(jì)算速率以及算法構(gòu)架等。變動(dòng)死區(qū)時(shí)間則取決于處理ADC采集到的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，它與設(shè)定的存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)、時(shí)基、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，所以這部分的死區(qū)時(shí)間是變動(dòng)的。

在數(shù)字示波器的眾多參數(shù)中對(duì)死區(qū)時(shí)間的影響最大的就是波形刷新率。顧名思義，波形刷新率指的就是數(shù)字示波器單位時(shí)間能夠顯示波形的數(shù)量。下面給出一個(gè)計(jì)算死區(qū)時(shí)間的公式：

死區(qū)時(shí)間%=[100×(1－波形刷新率×時(shí)基×水平格數(shù))]%

如此便可得到一臺(tái)數(shù)字示波器真正能夠捕獲到信號(hào)的有效時(shí)間為：

有效時(shí)間%=100%－死區(qū)時(shí)間%

有了這個(gè)公式，我們就能夠進(jìn)行一個(gè)大致的計(jì)算，以SIGLENT（深圳市鼎陽(yáng)科技有限公司）最新的SDS2000系列超級(jí)熒光示波器為例，該產(chǎn)品目前波形刷新率能夠達(dá)到110,000wfm/s。他們屏幕水平格數(shù)為14格，假如當(dāng)我們?cè)O(shè)定時(shí)基為50us時(shí)刷新率達(dá)到最大，由此計(jì)算死區(qū)時(shí)間為77%，也就是說有效時(shí)間為23%。

而傳統(tǒng)的數(shù)字示波器的波形刷新率最高也就能做到2000左右，我們同樣以SIGLENT的SDS1000L系列為例，波形刷新率2000，時(shí)基50us,水平格數(shù)為18格，得出死區(qū)時(shí)間：98.2%

有效時(shí)間僅僅為1.8%。由此可看出SDS2000系列的高刷新率數(shù)字示波器在捕獲信號(hào)方面的能力比SDS1000L系列強(qiáng)出很多。

但是由于變動(dòng)死區(qū)時(shí)間的存在，不同時(shí)基下刷新率不一樣，存儲(chǔ)深度也不一樣，所以具體的死區(qū)時(shí)間還需進(jìn)一步詳細(xì)分析計(jì)算。

圖二是一張用SIGLENT研發(fā)的SDS2000系列在異常信號(hào)捕獲上的實(shí)例圖，理論上來說數(shù)字示波器波形捕獲率越高，則捕獲到異常信號(hào)的速度越快、成功率越高，但是并不一定說數(shù)字示波器波形捕獲率高就一定能捕獲到異常信號(hào)，捕獲率低就一定捕獲不到異常信號(hào)。

朋友們，為什么捕獲率高卻不一定能捕獲到異常信號(hào)呢？

圖二