為什么示波器的波形更新率非常重要？

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。這篇應用指南通過調試應用 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。通過使用各種采集模式，我們比較來自三個廠家，具有類似帶寬和價格競爭的四種示波器的波形更新率。
　　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 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，示波器捕獲到該特用實時采樣捕獲亞穩態定信號的統計概率約為每秒二次。采用專有MegaZoom III 技術的Agilent示波器實現了這一業內領先的更新率。
　　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，該示波器采用默認的實時采集模式，具有10 k 點的最大存儲器。由于在此特定條件下的示波器更新不到每秒 800 次，把探頭放在測試點上 10 秒后，我們未捕獲到任何異常。在這一更新率下，一般需要在該測試點上探測 1 分鐘，才能捕獲到每 50,000個周期平均僅產生一次的一個偶發毛刺。
　　如果您猜想可能存在偶發毛刺，而讓示波器處于快觸發模式，該模式把示波器的存儲器深度限制為500點，以提高其更新率。因此在調試數字系統時，您必須確定是采樣率和存儲器深度，還是更新率更為重要。但即使是在采集的專門快觸發模式，此設置（10 ns/div）下也僅把更新率改進到約3,000波形/秒，為捕獲到一個毛刺，需要保持探頭與測試點約20 秒的接觸。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 系列示波器的類似例子，它有100,000 波形/ 秒的標志性波形3用實時采樣捕獲亞穩態（續）更新率指標。但由于其默認的實時采集更新率被限制為只有60 波形/秒，因此捕獲到該異常仍僅有很低的概率。雖然60 波形/ 秒對于示波器的“實況”感覺是足夠快的，但為捕獲到僅僅一個毛刺，需要把探頭放在測試點上的平均時間將近 14 分鐘。


　　圖5是嘗試用LeCroy WaveSurfer400 系列示波器默認的實時采集模式捕獲同樣的異常事件。由于在此時基設置下示波器的實時更新率僅165 波形/ 秒，把探頭放在測試點上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，需要在該測試點上探測將近5 分鐘。

使用專門的采集模式

　　在使用四種不同示波器實時采集模式的上述例子中，只有采用MegaZoom技術的 Agilent MSO6000系列示波器能可靠捕獲偶發的亞穩態（圖1）。但使用其它“專門”采集模式時情況又會如何呢？如前所述，Tektronix TDS5000 系列示波器宣稱具有高于100,000 波形/ 秒的標志性波形更新率指標。該更新率對捕獲偶發事件（50,000 周期中的1個）應是足夠的。使用Tektronix 的FastAcq采集模式，TDS5000系列示波器確能以超過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
　　·限制存儲器深度
　　·禁用波形運算
　　·禁用 sin(x)/x 重建
　　·禁用點連接
　　·禁用對捕獲波形的平移和縮放能力
　　FastAcq 基本上是一種專門的等效時間/重復采樣模式，在功能和性能上有許多權衡。在您使用這種模式時要了解這些權衡。使用這一專門的采集模式，我們能夠可靠捕獲偶發的亞穩態，在顯示上示出的結果是離散點 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，包括 TDS5000 系列示波器的
Tektronix的FastAcq模式時，各重復采集周期將產生不完整的波形，越快的時基范圍上有越寬的樣本間距。以200 ps/div 為例，Tektronix 的FastAcq模式在每一個采集周期只產生2.5 點（平均），這是因為示波器被限制為只有1.25GSa/s的最大采樣率。這樣的點數對于定義一個完整波形是不足的。雖然這些示波器在使用FastAcq 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。
因此為比較使用等效時間采樣技術的各種競爭示波器的波形/秒，必須規范為在較快時基范圍的采集率，從而計算“完整”波形/秒的更新率。
　　在這篇應用指南中為進行有實際意義的比較，我們把完整波形的標準定為最小500 點。在10 ns/div（這是捕獲我們亞穩態所用的時基設置）時，Tektronix的FastAcq模式有140,000 采集/ 秒的測量采集率。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
采集只產生125 點。如果我們使用500 點的規范化系數，可看到Tektronix 示波器約每秒產生35,000個完整的或規范化的波形（采集率/[500點/每次采集的采集點數]），這是相當不錯的，但它約為此設置時Agilent MSO6000系列示波器波形更
新率的1/3 而且對Agilent 示波器來說，您不需要選擇專門的采集模式，以及由此帶來的權衡。

比較波形數/ 秒
　　除了選擇采集模式外，許多其它設置條件的變化都會影響示波器的更新率，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 7 示出作為時基設置函數的波形數/ 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試中，為收集數據的設置條件作了優化，以展示各種示波器在最好條件下的更新率性能。這些設置條件包括單通道采集，觸發參考點在中心屏幕處，以及測量和波形運算關。
　　2 種Tektronix 示波器為得到最快更新率，TDS3000 系列示波器需選擇專門的快觸發模式，TDS5000系列示波器需選擇FastAcq 模式。LeCroy WaveSurfer示波器使用等效時間采樣。而Agilent 6000系列示波器實現最快更新率不需要選擇專門的工作模式。Agilent 示波器使用帶sin(x)/x 和點連接（矢量）的默認實時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，對于捕獲偶發的亞穩態不失為一種好的選擇，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。
　　作為比較，圖 8 是所有4 種示波器在使用各自默認實時采集模式時的每秒波形更新率圖。注意圖中垂直刻度是對數坐標。在大多數情況下，當使用默認實時采樣模式時，Agilent MSO6000 系列示波器達到的更新率要比競爭示波器快幾個數量級。
　　圖7和圖8更新率圖中使用的測量和計算數據見本文附錄A 和附錄B，包括圖中未示出的Agilent 等效時間模式。

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 III 技術的 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。

術語
　　等效時間采樣 重復使用多個采集周期數字化輸入信號
　　FastAcq 某些Tektronix 示波器使用的一種專門的等效時間采樣模式，它可改進更新率，但會犧牲示波器的采集性能和功能。
　　MegaZoom III Agilent 專利第三代示波器技術，在使用深存儲器時提供快更新率和高分辨率顯示質量
　　亞穩態 數字電路的一種不穩定輸出條件，通常由輸入的建立和/ 或保持時間超差造成，并作為毛刺出現。
　　混合信號示波器 (MSO) 一種具有附加邏輯定時分析通道的示波器，能建立跨模擬和數字輸入的時相關和組合觸發
　　實時采樣 使用高采樣率由單次采集數字化輸入信號
　　Sin(x)/x 重建 重建實時采樣波形的DSP 濾波器特性，在遵從Nyquist 定律時提供更高分辨率，以更精確地描繪實際信號