引言
帶寬、采樣率和存儲(chǔ)器深度是工程師選擇數(shù)字示波器時(shí)最常使用的評(píng)估指標(biāo)。波形更新率則是另一項(xiàng)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(jī)和偶發(fā)事件，例如毛刺的概率。這篇應(yīng)用指南通過(guò)調(diào)試應(yīng)用 試圖捕獲隨機(jī)和偶發(fā)產(chǎn)生的亞穩(wěn)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)廠家，具有類(lèi)似帶寬和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的四種示波器的波形更新率。
當(dāng)您評(píng)估示波器時(shí)，其反應(yīng)能力會(huì)影響您的決定。為正確感受示波器反應(yīng)是否敏捷，只需探測(cè)相對(duì)快的重復(fù)信號(hào)和觀看其反應(yīng)。如果示波器的顯示更新太慢，就會(huì)感到這臺(tái)示波器非常遲鈍，因而極不好用。今天一些有較深存儲(chǔ)器的示波器就屬于這種情況，因?yàn)樘幚砩畲鎯?chǔ)器記錄而減慢了更新率。一般來(lái)說(shuō)，如果示波器顯示達(dá)到至少每秒二十次更新，所顯示的波形將表現(xiàn)為“實(shí)況”，并感覺(jué)示波器反應(yīng)敏捷。但波形更新率的重要性遠(yuǎn)不止是反應(yīng)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(jī)事件的概率。
今天的一些示波器廠商宣稱(chēng)更新率達(dá)到數(shù)十萬(wàn)波形/秒的量級(jí)。但人眼并不能辨析這一量級(jí)的差別。當(dāng)您調(diào)試高速數(shù)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(dá)到這一量級(jí)至關(guān)重要。如果您要觀察的是精確重復(fù)的信號(hào)（無(wú)異常），那么極快的更新率并不很重要。但當(dāng)信號(hào)并非精確重復(fù) 即有異常產(chǎn)生時(shí) 隨機(jī)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(diào)試提供幫助。
用實(shí)時(shí)采樣捕獲亞穩(wěn)態(tài)
圖1 示出一個(gè)隨機(jī)亞穩(wěn)態(tài)（毛刺），它在數(shù)據(jù)信號(hào)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(jī)發(fā)生，就可把大多數(shù)示波器設(shè)置在毛刺條件上觸發(fā) 即根據(jù)最小脈沖寬度設(shè)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(shè)計(jì)中的不同信號(hào)來(lái)驗(yàn)證正確的信號(hào)保真度，因此示波器設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)的上升或下降沿條件上觸發(fā)。
由于它們相對(duì)慢的更新率，大多數(shù)示波器為捕獲偶發(fā)事件，需要采集遠(yuǎn)不止是幾秒的數(shù)據(jù)。如果您打算用一般調(diào)試方法，在每一測(cè)試點(diǎn)上探測(cè)幾秒鐘，并想捕獲到各結(jié)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 Agilent's 6000 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(dá)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(wěn)態(tài)定信號(hào)的統(tǒng)計(jì)概率約為每秒二次。采用專(zhuān)有MegaZoom III 技術(shù)的Agilent示波器實(shí)現(xiàn)了這一業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的更新率。
一旦我們發(fā)現(xiàn)電路存在非預(yù)期的行為，就可開(kāi)始進(jìn)一步調(diào)試我們的系統(tǒng)。使用混合信號(hào)示波器（MSO）的邏輯通道，就能設(shè)置跨多個(gè)模擬和數(shù)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(tǒng)偶爾出現(xiàn)對(duì)建立 保持時(shí)間指標(biāo)的超差，如圖2 所示。
圖3 是嘗試用Tektronix TDS3000 系列示波器捕獲同樣的異常事件，該示波器采用默認(rèn)的實(shí)時(shí)采集模式，具有10 k 點(diǎn)的最大存儲(chǔ)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(cè)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(cè)試點(diǎn)上探測(cè) 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(chǔ)器深度限制為500點(diǎn)，以提高其更新率。因此在調(diào)試數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，您必須確定是采樣率和存儲(chǔ)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(shè)置（10 ns/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(cè)試點(diǎn)約20 秒的接觸。如果您打算用一般調(diào)試方法，在每一測(cè)試點(diǎn)上探測(cè)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(biāo)志性波形3用實(shí)時(shí)采樣捕獲亞穩(wěn)態(tài)（續(xù)）更新率指標(biāo)。但由于其默認(rèn)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(duì)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(cè)試點(diǎn)上的平均時(shí)間將近 14 分鐘。
圖5是嘗試用LeCroy WaveSurfer400 系列示波器默認(rèn)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(shè)置下示波器的實(shí)時(shí)更新率僅165 波形/ 秒，把探頭放在測(cè)試點(diǎn)上10 秒后，我們未捕獲到任何異常。為使用LeCroy WaveSurfer示波器捕獲該毛刺，需要在該測(cè)試點(diǎn)上探測(cè)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 Agilent MSO6000系列示波器能可靠捕獲偶發(fā)的亞穩(wěn)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，Tektronix TDS5000 系列示波器宣稱(chēng)具有高于100,000 波形/ 秒的標(biāo)志性波形更新率指標(biāo)。該更新率對(duì)捕獲偶發(fā)事件（50,000 周期中的1個(gè)）應(yīng)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(quán)衡。該FastAcq 模式：
·把示波器的最大采樣率限制為1.25 GSa/s
·限制存儲(chǔ)器深度
·禁用波形運(yùn)算
·禁用 sin(x)/x 重建
·禁用點(diǎn)連接
·禁用對(duì)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(fù)采樣模式，在功能和性能上有許多權(quán)衡。在您使用這種模式時(shí)要了解這些權(quán)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(wěn)態(tài)，在顯示上示出的結(jié)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(jù)定義，當(dāng)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(dāng)您使用等效時(shí)間/ 重復(fù)采樣，包括 TDS5000 系列示波器的
Tektronix的FastAcq模式時(shí)，各重復(fù)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200 ps/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?yàn)槭静ㄆ鞅幌拗茷橹挥?.25GSa/s的最大采樣率。這樣的點(diǎn)數(shù)對(duì)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(shè)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(jìng)爭(zhēng)示波器的波形/秒，必須規(guī)范為在較快時(shí)基范圍的采集率，從而計(jì)算“完整”波形/秒的更新率。
在這篇應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)定為最小500 點(diǎn)。在10 ns/div（這是捕獲我們亞穩(wěn)態(tài)所用的時(shí)基設(shè)置）時(shí)，Tektronix的FastAcq模式有140,000 采集/ 秒的測(cè)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1.25 GSa/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(guī)范化系數(shù)，可看到Tektronix 示波器約每秒產(chǎn)生35,000個(gè)完整的或規(guī)范化的波形（采集率/[500點(diǎn)/每次采集的采集點(diǎn)數(shù)]），這是相當(dāng)不錯(cuò)的，但它約為此設(shè)置時(shí)Agilent MSO6000系列示波器波形更
新率的1/3 而且對(duì)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(quán)衡。
比較波形數(shù)/ 秒
除了選擇采集模式外，許多其它設(shè)置條件的變化都會(huì)影響示波器的更新率，包括時(shí)基范圍、測(cè)量、有效通道數(shù)、存儲(chǔ)器，以及顯示波形的復(fù)雜程度等。圖 7 示出作為時(shí)基設(shè)置函數(shù)的波形數(shù)/ 秒，所有4種示波器都使用其最快的采集模式。在這一波形更新率測(cè)試中，為收集數(shù)據(jù)的設(shè)置條件作了優(yōu)化，以展示各種示波器在最好條件下的更新率性能。這些設(shè)置條件包括單通道采集，觸發(fā)參考點(diǎn)在中心屏幕處，以及測(cè)量和波形運(yùn)算關(guān)。
2 種Tektronix 示波器為得到最快更新率，TDS3000 系列示波器需選擇專(zhuān)門(mén)的快觸發(fā)模式，TDS5000系列示波器需選擇FastAcq 模式。LeCroy WaveSurfer示波器使用等效時(shí)間采樣。而Agilent 6000系列示波器實(shí)現(xiàn)最快更新率不需要選擇專(zhuān)門(mén)的工作模式。Agilent 示波器使用帶sin(x)/x 和點(diǎn)連接（矢量）的默認(rèn)實(shí)時(shí)采樣模式得到其整體上最快的更新率。雖然 Tektronix 的FastAcq 模式接近 Agilent 6000 系列示波器的性能，對(duì)于捕獲偶發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)不失為一種好的選擇，但您應(yīng)知道在使用這一專(zhuān)門(mén)工作模式時(shí)，必須考慮在性能和功能上作出的權(quán)衡。
作為比較，圖 8 是所有4 種示波器在使用各自默認(rèn)實(shí)時(shí)采集模式時(shí)的每秒波形更新率圖。注意圖中垂直刻度是對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在大多數(shù)情況下，當(dāng)使用默認(rèn)實(shí)時(shí)采樣模式時(shí)，Agilent MSO6000 系列示波器達(dá)到的更新率要比競(jìng)爭(zhēng)示波器快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖7和圖8更新率圖中使用的測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)本文附錄A 和附錄B，包括圖中未示出的Agilent 等效時(shí)間模式。
總結(jié)
雖然工程師在選擇數(shù)字示波器時(shí)通常會(huì)了解波形更新率性能，但波形更新率對(duì)您發(fā)現(xiàn)和排除間歇性電路問(wèn)題的能力有重大影響。采用MegaZoom III 技術(shù)的 Agilent 6000系列示波器提供這一檔次示波器的最快波形更新率，而不要求使用者選擇專(zhuān)門(mén)的工作模式，從而避免在性能和功能上作出權(quán)衡。由于Agilent混合信號(hào)示波器有16個(gè)邏輯定時(shí)通道，使找到間歇性故障的原因成為比較容易的任務(wù)。
術(shù)語(yǔ)
等效時(shí)間采樣 重復(fù)使用多個(gè)采集周期數(shù)字化輸入信號(hào)
FastAcq 某些Tektronix 示波器使用的一種專(zhuān)門(mén)的等效時(shí)間采樣模式，它可改進(jìn)更新率，但會(huì)犧牲示波器的采集性能和功能。
MegaZoom III Agilent 專(zhuān)利第三代示波器技術(shù)，在使用深存儲(chǔ)器時(shí)提供快更新率和高分辨率顯示質(zhì)量
亞穩(wěn)態(tài) 數(shù)字電路的一種不穩(wěn)定輸出條件，通常由輸入的建立和/ 或保持時(shí)間超差造成，并作為毛刺出現(xiàn)。
混合信號(hào)示波器 (MSO) 一種具有附加邏輯定時(shí)分析通道的示波器，能建立跨模擬和數(shù)字輸入的時(shí)相關(guān)和組合觸發(fā)
實(shí)時(shí)采樣 使用高采樣率由單次采集數(shù)字化輸入信號(hào)
Sin(x)/x 重建 重建實(shí)時(shí)采樣波形的DSP 濾波器特性，在遵從Nyquist 定律時(shí)提供更高分辨率，以更精確地描繪實(shí)際信號(hào)
