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(gè)廠家具有類似帶寬和價(jià)格競爭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。一般來說如果示波器顯示達(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�！皩�(shí)況”感覺并不能說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更新率達(dá)到數(shù)十萬波形/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單探查設(shè)計(jì)中的不同信號(hào)來驗(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)試方法在每一測試點(diǎn)上探測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試點(diǎn)上探測 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門快觸發(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)試方法在每一測試點(diǎn)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(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僅有很低的概率。雖然60 波形/ 秒對(duì)于示波器的“實(shí)況”感覺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試點(diǎn)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(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“專門”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 基本上是一種專門的等效時(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。使用這一專門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)的各種競爭示波器的波形/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 示波器來說您不需要選擇專門的采集模式以及由此帶來的權(quán)衡。

比較波形數(shù)/ 秒
　　除了選擇采集模式外，Delta65煙氣分析儀許多其它設(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門的快觸發(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門的工作模式。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)知道在使用這一專門工作模式時(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)到的更新率要比競爭示波器快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　圖7和圖8更新率圖中使用的測量和計(jì)算數(shù)據(jù)見本文附錄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門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
　　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門的等效時(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)