示波器死區(qū)時間及波形捕獲率對測量結(jié)果的影響分析
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。你是否覺得示波器提供給了被測信號的所有信息呢?事實上,示波器在大部分時間都處在一個無法檢測信號的無信號狀態(tài),通常把這段丟失信號的時間稱為死區(qū)時間。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/194239.htm什么是死區(qū)時間
要想了解死區(qū)時間的來源,需要先對數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個基本的了解。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:RS公司RTO系列示波器組成框圖。
被測信號通過輸入通道進入示波器,并通過垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)按照固定的時間間隔對信號進行采樣,并將各個信號振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值,稱為“樣本點”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能,例如樣本抽取,默認一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點(samples)存儲在采集存儲器中。存儲的樣點數(shù)目用戶可以通過記錄長度進行設(shè)置。
根據(jù)用戶的需求,還可以對這些樣本點進一步后處理。后處理任務(wù)包括算數(shù)功能(例如求平均值)、數(shù)學(xué)運算(例如FIR濾波)、自動測量(例如上升時間或下降時間)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、抖動分析和矢量信號分析等等。
對于數(shù)字示波器而言,基本上對波形樣本執(zhí)行的處理步驟沒有任何限制。這些后處理功能或者使用軟件通過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)果隨后通過示波器的顯示屏呈現(xiàn)給用戶。
從圖1和圖2中可以看到RS RTO系列示波器和傳統(tǒng)數(shù)字示波器的在信號處理過程上的區(qū)別,它使用了專門獨立開發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來實現(xiàn)波形樣本的后處理,如通道校準、樣本抽取、數(shù)字濾波、math、直方圖測量、模板測試以及FFT、自動測量、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)電路帶來的觸發(fā)抖動,傳統(tǒng)的中高端示波器為了減小這部分抖動,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的時間。
示波器從信號采樣捕獲到波形樣本的處理顯示這一周期,稱為捕獲周期,在前一個捕獲周期結(jié)束后,示波器才能夠捕獲下一個新波形。所以,數(shù)字示波器將捕獲周期的大部分時間都用于對波形樣本的后處理上,在這一處理過程中,示波器就處于無信號狀態(tài),無法繼續(xù)監(jiān)測被測信號。從根本上來說,死區(qū)時間就是數(shù)字示波器對波形樣本后處理所需要的時間。
死區(qū)時間和捕獲周期及波形捕獲率關(guān)系
圖3顯示了一個波形捕獲周期的示意圖。捕獲周期由有效捕獲時間和死區(qū)時間周期組成。在有效捕獲時間內(nèi),示波器按照用戶設(shè)定波形樣本數(shù)進行捕獲,并將其寫入采集存儲器中。捕獲的死區(qū)時間包含固定時間和可變時間兩部分。固定時間具體取決于各個儀器的架構(gòu)本身??勺儠r間則取決于處理所需的時間,它與設(shè)定的捕獲樣本數(shù)(記錄長度)、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)、測量和分析)多少都有直接關(guān)系。死區(qū)時間和捕獲周期之比死區(qū)時間比也是示波器的一個重要特性,捕獲周期的倒數(shù)就是波形捕獲率。
圖3:數(shù)字示波器的一個捕獲周期。
例如,如果有效捕獲時間是100ns(樣本數(shù)為1k,采樣率為10G),而死區(qū)時間是10ms,那么整個捕獲周期所用的時間是10.0001ms。由此得到的死區(qū)時間比是99.999%,而波形捕獲率是每秒不到100個波形。目前市場上大部分示波器在常規(guī)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現(xiàn)最高1,000,000次的波形捕獲率,死區(qū)時間比可以降低到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(qū)時間比也高達99.5%以上。
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