關(guān)注深存儲(chǔ)示波器刷新率指標(biāo)，準(zhǔn)確捕捉偶發(fā)隨機(jī)事件

刷新率之所以需要著重考慮有兩個(gè)理由，第一，示波器的數(shù)字刷新率對(duì)儀器的可用性影響很大；第二，采集/波形刷新率會(huì)影響捕獲偶發(fā)異常事件和毛刺的統(tǒng)計(jì)概率。

刷新率對(duì)示波器可用性的影響

數(shù)字存儲(chǔ)示波器于上世紀(jì)80年代首次投放市場(chǎng)，與模擬示波器相比其最大的缺點(diǎn)是響應(yīng)性能不好。當(dāng)時(shí)常見的數(shù)字示波器采集刷新率只有每秒一兩個(gè)波形，存儲(chǔ)器的深度也只有1,000個(gè)點(diǎn)。響應(yīng)性不好使這種示波器用起來非常困難，工程師和技術(shù)人員用示波器對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，常常是將示波器用作一個(gè)“瀏覽”工具，一邊觀察示波器顯示屏上的波形，一邊很快地變換設(shè)置狀態(tài)，如每刻度的電壓值、時(shí)基等等，如果設(shè)置變換時(shí)顯示屏上的刷新變化很慢，則不僅令人感到心煩而且還會(huì)拖慢整個(gè)調(diào)試的過程。

隨著數(shù)字示波技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)示波器廠商都以不到10萬個(gè)點(diǎn)的存儲(chǔ)深度解決了示波器響應(yīng)性問題。憑經(jīng)驗(yàn)來看，如果示波器對(duì)一個(gè)新的采集能夠達(dá)到至少每秒 20次顯示刷新率，那么其響應(yīng)速度就可以令人感到滿意了。應(yīng)該承認(rèn)，這個(gè)指標(biāo)比起一般模擬示波器每秒幾十萬次的掃描速率來還是低得多，但對(duì)人的眼和手來說，每秒20次數(shù)字刷新率足以使數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有“動(dòng)態(tài)”的感覺。

不幸的是，隨著對(duì)更深存儲(chǔ)能力(>1MB)數(shù)字存儲(chǔ)示波器需求的增大，很多示波器由于數(shù)字波形記錄的處理時(shí)間問題使得響應(yīng)性能仍然很差。為此許多深存儲(chǔ)示波器的缺省工作方式是采用淺存儲(chǔ)方式(一般少于5萬個(gè)點(diǎn))，在淺存儲(chǔ)方式下，示波器響應(yīng)足夠靈敏，如果在特定場(chǎng)合用戶需要深度存儲(chǔ)，他們可以到時(shí)候選擇較深的存儲(chǔ)方式，但必須對(duì)示波器未能響應(yīng)的部分做出處理。有些存儲(chǔ)深度極大的示波器每次屏幕刷新長(zhǎng)達(dá)8到10秒，很多用戶對(duì)此是不能接受的。

為了解決深存儲(chǔ)條件下的刷新速率問題，有些示波器廠商采用一種特殊的快速采集運(yùn)行方式。在這種方式下，示波器能夠每秒捕獲多達(dá)幾十萬個(gè)波形記錄。問題解決了嗎？也是也不是?？焖俨杉_實(shí)解決了刷新率問題，使示波器可用性大為提高，然而如上所述，快速采集是一種特殊的運(yùn)行方式，它在其它地方做了一些比較大的折衷。在這種工作方式下，最大采樣率和存儲(chǔ)深度都限定在示波器最大指標(biāo)值以內(nèi)，此外，對(duì)長(zhǎng)波形的放大、自動(dòng)測(cè)量和數(shù)學(xué)計(jì)算等功能也都在禁用之列，所以這只是一種特殊運(yùn)行方式。

安捷倫科技的示波器采用MegaZoom技術(shù)來解決深存儲(chǔ)的響應(yīng)性問題。使用MegaZoom深存儲(chǔ)器，即使處理很深的波形記錄，數(shù)字刷新率也可以超過每秒幾萬個(gè)波形。MegaZoom絕非特殊示波器運(yùn)行方式，而是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方式，用戶可以充分訪問存儲(chǔ)記錄，并使用示波器的放大功能。在最大采集刷新率下，示波器的響應(yīng)性使人更真切地得到“動(dòng)態(tài)”的感覺。

雖然快速采集方式每秒捕獲幾十萬個(gè)波形仍然優(yōu)于MegaZoom的每秒幾萬個(gè)波形，但考慮到可用性問題哪一個(gè)更好則并不一定。所有數(shù)字存儲(chǔ)示波器所用的光柵掃描陰極射線管，其顯示刷新速率都在30到60Hz之間，增加波形捕獲速率使之超過示波器的顯示刷新速率并不能改進(jìn)示波器可用性。制約示波器可用性的因素很多，顯示刷新只是其中之一?？焖俨杉拗屏撕芏喙δ?包括放大能力、測(cè)量和波形數(shù)學(xué)計(jì)算)的使用，這些也都是考慮可用性的其它因素。歸根結(jié)底，評(píng)價(jià)示波器可用性的唯一方法是親自去試一試。

刷新率對(duì)捕獲偶發(fā)異常事件的影響

在捕獲偶發(fā)事件時(shí)，數(shù)字刷新率對(duì)捕獲異?，F(xiàn)象和瞬態(tài)干擾的可能性具有極大影響。用戶憑直覺可能認(rèn)為，采用快速采集技術(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器每秒能夠完成幾十萬次波形刷新，而采用MegaZoom技術(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器每秒只能捕獲幾萬個(gè)波形，前者一定優(yōu)于后者，然而事情并非如此簡(jiǎn)單。首先，影響示波器數(shù)字刷新率的因素有很多，而且宣稱每秒幾十萬個(gè)波形的指標(biāo)很可能只適用于很窄的條件范圍內(nèi)。例如示波器每秒識(shí)別幾十萬個(gè)波形的快速采集功能只適用于最快掃描速度檔 (每刻度40ns或者更快)，而且不能突破采樣率(最大每秒1.25G個(gè)采樣)和存儲(chǔ)深度(最大1MB)的限制。此外，數(shù)字刷新率的一個(gè)關(guān)鍵是輸入信號(hào)觸發(fā)率，如果輸入信號(hào)觸發(fā)率低于示波器最大數(shù)字刷新率，則后者將受到前者的制約。

為便于討論，暫且假設(shè)輸入觸發(fā)率不會(huì)限制數(shù)字刷新率，那么每秒最大波形數(shù)指標(biāo)是否能夠很好地反映示波器捕獲偶發(fā)事件的能力呢？如果所有的條件都恰好合適，可能是這樣的。每秒數(shù)字化波形數(shù)很好地反映了示波器的空閑時(shí)間特性，空閑時(shí)間是指兩次信號(hào)采集之間的時(shí)間段，在此期間內(nèi)示波器處理數(shù)字化信息并準(zhǔn)備重新啟動(dòng)下一次采集過程(圖1)。

縮短空閑時(shí)間可以提高空閑時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生事件的捕獲概率，但如果縮小空閑時(shí)間是以犧牲采集時(shí)間內(nèi)的數(shù)字化性能為代價(jià)，那么與空閑時(shí)間較長(zhǎng)的示波器相比其捕獲偶發(fā)事件的總體概率可能會(huì)更低。在具有快速采集功能的示波器上采取降低采樣率和存儲(chǔ)深度的方式確實(shí)能改善空閑時(shí)間特性，但卻會(huì)降低采集時(shí)間內(nèi)捕獲窄脈沖的概率。而偶發(fā)事件是完全隨機(jī)的，它可能在任何時(shí)間發(fā)生。

大多數(shù)情況下，衡量指標(biāo)比較好的方法是指定一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)數(shù)字化點(diǎn)數(shù)(如每秒數(shù)字化點(diǎn)數(shù))。在討論為什么這是比較好的方法之前，應(yīng)該提醒大家每秒數(shù)字化點(diǎn)數(shù)與采樣率是不同的，采樣率總是以每秒采樣數(shù)來計(jì)算，它表明的僅僅是采集時(shí)間內(nèi)的數(shù)字化速率，在示波器空閑時(shí)間內(nèi)，采樣率永遠(yuǎn)為0。指定一秒(或更長(zhǎng)時(shí)間)數(shù)字化總點(diǎn)數(shù)表示了較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)采集的點(diǎn)數(shù)，其中既包含采集時(shí)間也包含空閑時(shí)間數(shù)字化點(diǎn)數(shù)，其實(shí)也可將其想象為較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的平均數(shù)字化速率，這段時(shí)間包含了采集時(shí)間(最大采樣率)和空閑時(shí)間(0采樣率)。

指定每個(gè)時(shí)間段的數(shù)字化點(diǎn)數(shù)之后，用戶就可以對(duì)捕獲偶發(fā)事件(無論發(fā)生在采集時(shí)間內(nèi)還是空閑時(shí)間內(nèi))的統(tǒng)計(jì)概率有一個(gè)更準(zhǔn)確的概念。不幸的是多數(shù)示波器制造商的資料和手冊(cè)中還沒有普遍采用這個(gè)指標(biāo)，之所以如此是因?yàn)橛刑嗟淖兞啃枰紤]，如掃描速度、通道數(shù)、存儲(chǔ)深度等等。為了對(duì)快速采集方式和 MegaZoom技術(shù)進(jìn)行比較，我們給出四種500MHz到1GHz的示波器對(duì)比曲線圖，其中有兩種快速采集示波器和兩種MegaZoom示波器。圖中顯示的數(shù)據(jù)是在接近最優(yōu)運(yùn)行條件(單通道運(yùn)行、實(shí)時(shí)采樣、禁用自動(dòng)測(cè)量與數(shù)學(xué)計(jì)算功能)和較大范圍掃描速度設(shè)置情況下收集到的(圖2)。這次比較只考慮“屏上可見”的數(shù)字化點(diǎn)，比方說當(dāng)示波器以很快的時(shí)基顯示波形時(shí)，實(shí)際上在屏外也會(huì)有很多數(shù)字化點(diǎn)，但由于這個(gè)分析只是試圖說明實(shí)際可見的偶發(fā)事件概率，故屏外數(shù)據(jù)點(diǎn)沒有用處，在分析中不予考慮。

從圖2可以看出，無論快速采集示波器還是MegaZoom示波器都不能在所有條件下都更勝一籌。影響每秒數(shù)字化點(diǎn)數(shù)的首要變量是示波器時(shí)基設(shè)置，當(dāng)掃描速度設(shè)定在每刻度2μs或更快時(shí)，快速采集示波器因其空閑時(shí)間短而要好一些，但必須注意的是快速采集示波器對(duì)采樣率是有限制的。即便其每秒數(shù)字化點(diǎn)數(shù)在較快掃描速率下可能高于MegaZoom示波器，但如果采樣率低到不能捕獲偶發(fā)事件，那么每秒數(shù)字化點(diǎn)數(shù)可能也沒有意義。

當(dāng)掃描速度設(shè)定在每刻度5μs或更慢時(shí)，MegaZoom示波器表現(xiàn)更好，因?yàn)樗诓杉瘯r(shí)間內(nèi)的采樣率和存儲(chǔ)深度都更大(在采集時(shí)間內(nèi)可收集到更多的波形信息)。所以究竟哪一種示波器更有利于捕獲偶發(fā)事件要視情況而定。下面來看兩個(gè)捕獲偶發(fā)事件的例子。

如果要試圖捕獲高速鎖存器輸出端的亞穩(wěn)態(tài)，快速采集示波器可能做得更好，這種情況下一般要將示波器的時(shí)基設(shè)定在比較快的掃描速度上才能看到亞穩(wěn)態(tài)詳情(圖 3)。然而即便鎖存器輸出信號(hào)也可能表現(xiàn)出高速特性，如快速上升時(shí)間，其實(shí)際交換速率可能比快速采集示波器標(biāo)定的最大數(shù)字化刷新率低得多，這就限制了觸發(fā)速率，而觸發(fā)速率是確定數(shù)字化率的主要因素。所以示波器的空閑時(shí)間可能并不取決于最小重新啟動(dòng)時(shí)間和處理時(shí)間，而只是由輸入信號(hào)的觸發(fā)速率所決定。在理想條件(不限定觸發(fā)速率和采樣率)下，快速采集示波器的效果要好，但在多數(shù)實(shí)際條件下，MegaZoom示波器可能會(huì)因其較高采樣率和較深的存儲(chǔ)能力而更佳。

如果要捕獲一個(gè)長(zhǎng)的串行數(shù)據(jù)流中某個(gè)不小心出現(xiàn)的傳輸位或包(圖4)，MegaZoom示波器在捕獲偶發(fā)事件方面要好一些。為捕獲此類事件，可能要將示波器時(shí)基設(shè)定在每刻度2μs或者更慢，MegaZoom示波器在這樣的條件下能夠以較高采樣率和存儲(chǔ)深度獲得比快速采集示波器更多的信息。這再次說明，孰是孰非取決于特定的應(yīng)用。

最后還要強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)考慮所謂的“特殊方式”與“標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行方式”。如上所述，一些示波器的快速采集方式是一種特殊運(yùn)行方式，只有在有特定需要時(shí)才會(huì)使用這種運(yùn)行方式。對(duì)于MegaZoom示波器來說，MegaZoom方式是普通缺省運(yùn)行方式，無須進(jìn)入特殊運(yùn)行方式，刷新速率以及深存儲(chǔ)能力都是最優(yōu)化的，而且它也不會(huì)犧牲數(shù)字化性能、自動(dòng)測(cè)量功能和后采集放大分析等功能。