示波器波形更新率確定捕獲到難解事件的概率

引言
　　帶寬、采樣率和存儲器深度是工程師選擇數字示波器時最常使用的評估指標。波形更新率則是另一項重要的考慮因素。示波器采集波形和更新顯示的速率確定了捕獲到隨機和偶發事件，例如毛刺的概率。這篇文章通過調試應用 ── 試圖捕獲隨機和偶發產生的亞穩態 ── 來說明波形更新率的重要性。文章也討論了使用專門的重復快采集模式，以及可能的權衡。
　　當您評估示波器時，其反應能力會影響您的決定。為正確感受示波器反應是否敏捷，只需探測相對快的重復信號和觀看其反應。如果示波器的顯示更新太慢，就會感到這臺示波器非常遲鈍，因而極不好用。今天一些有較深存儲器的示波器就屬于這種情況，因為處理深存儲器記錄而減慢了更新率。一般來說，如果示波器顯示達到至少每秒二十次更新，所顯示的波形將表現為“實況”，并感覺示波器反應敏捷。但波形更新率的重要性遠不止是反應能力這一個方面。“實況”感覺并不能說明示波器捕獲到偶發和隨機事件的概率。
　　今天的一些示波器廠商宣稱更新率達到數十萬波形∕秒的量級。但人眼并不能辨析這一量級的差別。當您調試高速數字電路時，由于能增加捕獲偶發事件的概率，因此示波器更新率達到這一量級至關重要。如果您要觀察的是精確重復的信號（無異常），那么極快的更新率并不很重要。但當信號并非精確重復 ── 即有異常產生時 ── 隨機和偶發產生的事件會使您大傷腦筋。更快的更新率能提高捕獲到難解事件的概率，為您的調試提供幫助。

用實時采樣捕獲亞穩態
　　圖1示出一個隨機亞穩態（毛刺），它在數據信號中平均每50,000個周期僅產生1次。如果您事先知道該事件為隨機發生，就可把大多數示波器設置在毛刺條件上觸發 ── 即根據最小脈沖寬度設置示波器 ── 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，就可能只是簡單探查設計中的不同信號來驗證正確的信號保真度，因此示波器設置在標準的上升或下降沿條件上觸發。
　　由于它們相對慢的更新率，大多數示波器為捕獲偶發事件，需要采集遠不止是幾秒的數據。如果您打算用一般調試方法，在每一測試點上探測幾秒鐘，并想捕獲到各結點上可能產生的偶發事件，示波器就必須有極快的更新率。

圖 1. Agilent MSO6000 系列示波器用實時采樣捕獲到的偶發亞穩態
　　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，用實時采樣達到100,000次∕秒的波形更新。在這一更新率下，示波器捕獲到該特定信號的統計概率約為每秒二次。采用Agilent專有第三代 MegaZoom 技術的Agilent示波器實現了這一業內領先的實時更新率。

　　一旦我們發現電路存在非預期的行為，就可開始進一步調試我們的系統。使用混合信號示波器（MSO）的邏輯通道，就能設置跨多個模擬和數字通道的組合邏輯碼型觸發條件。它揭示由于時鐘抖動，我們的系統偶爾出現對建立—保持時間指標的超差，如圖2所示。

圖 2. 碼型觸發揭示建立—保持時間超差
　　Agilent 6000系列示波器實現每秒 100,000個實時波形的意義何在？可把它與今天市場上的其它示波器作一比較。使用其它數字示波器的默認實時采樣模式，波形更新率范圍約60至 700波形。雖然60波形∕秒對于示波器的“實況”感覺是足夠快的，但為捕獲到每 50,000個周期平均僅產生一次的特定亞穩態，需要把探頭放在測試點上的平均時間將近 14 分鐘。即使是聽起來給人印象深刻的700波形∕秒，把探頭放在測試點上的平均時間也超過1分鐘。
　　如果您打算用一般調試方法，在每一測試點上探測幾秒鐘，使用任何其它DSO的默認實時采集模式都可能丟失這一事件。為在幾秒鐘內捕獲這一特定錯誤事件，您需要示波器有每秒數萬個波形，甚至更快。

使用專門的采集模式
　　使用其它“專門”采集模式情況如何呢？今天市場上的一些宣稱具有100,000波形∕秒量級的波形更新率。但這需要選擇專門的快采集模式。示波器中的“專門”工作模式會在其它方面有所犧牲，通常會影響采樣率和采集存儲器深度 ── 有時需要用重復∕等效時間采樣模式代替實時采樣。此外，它也影響示波器的測量功能，包括波形測量，波形運算，以及對保存波形的平移和縮放。
　　雖然對于捕獲偶發事件，專門的快采集模式有時也不失為一種正確選擇，但您應知道在使用這一“專門”工作模式時，必須考慮在性能和功能上作出的權衡。此外，雖然某種示波器可能宣稱使用特定工作模式達到100,000波形∕秒量級的波形更新率，但這些更新率可能僅適用于很窄的條件，而且可能給出的是離散點 ── 而不是各采集周期的完整波形。

定義完整波形
　　并非所有建立的波形都相同。您如何定義一個完整的波形？根據定義，當您使用帶重建sin(x)/x的實時采樣時，每一次采集將產生一個包括最小為500至1000點的完整波形。但當您使用等效時間∕重復采樣，大多數使用“專門”快采集模式的示波器產生的波形并不完整，越快的時基范圍上有越寬的樣本間距。以200 ps/div為例，今天市場上的某種示波器在每一個采集周期只產生2.5點（平均），這是因為選擇專門快采集模式時示波器被限制為只有1.25GSa/s的最大采樣率。顯然，這樣的點數對于定義一個完整波形是不足的。雖然這些示波器在較快時基范圍時能保持超過100,000采集∕秒的采集率，但在此設置下并不能每秒產生100,000個完整波形。因此為比較使用專門等效時間采樣技術的各種示波器的波形∕秒，必須規范在較快時基范圍的實際采集率，從而計算“完整”波形∕秒的更新率。Agilent建議用最小500數字化點作規范系數。因此如果某種示波器能達到100,000采集∕秒的更新，但每次采集僅產生2.5點，就需要通過約200個采集周期，才能產生一個包括500點的“完整”波形。這意味著有效波形更新率并非100,000波形∕秒（使用專門的快采集重負采樣），而實際僅為500個“完整”波形∕秒。

　　除了提醒您注意專門的快采集模式外，您還應知道許多其它設置條件的變化都會影響波形更新率，包括時基范圍、測量、有效通道數、存儲器，以及顯示波形的復雜程度等。圖 3示出Agilent新6000系列示波器作為時基設置函數的波形數∕秒。

圖3. 作為時基設置函數的Agilent 6000系列示波器的波形更新率

總結
　　雖然工程師在選擇數字示波器時通常會了解波形更新率性能，但波形更新率對您發現和排除間歇性電路問題的能力有重大影響。采用 MegaZoom 技術的 Agilent 6000 系列示波器提供最快的實時波形更新率，而不要求使用者選擇專門的工作模式，從而避免在性能和功能上作出權衡。由于Agilent混合信號示波器有16個邏輯定時通道，使找到間歇性故障的原因成為比較容易的任務。為更深入討論波形更新率的重要性，請參看Agilent應用指南1551“改進您捕獲難解事件的能力：為什么示波器的波形更新率非常重要？”，您可從www.agilent.com/find/scopes下載這篇應用指南。