計算一下你示波器的工作效率
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把更新率作為“廣告說明”的一個案例
目前，廣告說明詞(示波器供應(yīng)商通常用在他們廣告的頂部)包括帶寬、采樣率、存儲深度和價格。然而，更新率同等重要，這是因為它以示波器捕獲間歇和重復(fù)事件的能力為特征。示波器采集多少數(shù)據(jù)—或者采集數(shù)據(jù)的速度有多快—無關(guān)緊要，如果它花更多的時間在顯示數(shù)據(jù)上，而不是獲得采集上的話；而且，如果示波器的觸發(fā)電路要經(jīng)過緩慢的準(zhǔn)備才能進(jìn)行下一次采集的話，該顯示系統(tǒng)的速度也不要緊。
更新率是重要的，因為它能影響調(diào)試方法。以上面提到的短脈沖干擾為例，如果工程師知道存在這些短脈沖干擾，就很容易利用脈寬觸發(fā)把它隔離開。然而，這指的是被認(rèn)為不會造成大問題的短脈沖干擾。當(dāng)用戶拿到一塊新的電路板時，大部分用戶會逐個引腳地“粗略檢查”一遍。具有快速更新率的示波器增加了在臨時檢查期間找到小問題的機(jī)率，從而增加用戶對電路板的信心。如果你對示波器的顯示性能沒有信心，用戶將必須采用觸發(fā)系統(tǒng)來搜尋在各個引腳上的每一個潛在的問題。
快速更新率的另一個有用的應(yīng)用是生產(chǎn)測試。許多測試需要在同一個測試點上進(jìn)行多次采集以提高測量的可信度。采樣點數(shù)越多，極限特性就越好。掩模測試就是一個很好的例子。較慢的更新率會迫使在更低的測試吞吐量和更低的測量可信度之間進(jìn)行折衷。
盡管通常的LCD或CRT恰好以60Hz進(jìn)行刷新，人們?nèi)阅軓臄?shù)量級為每秒鐘成百上千個波形的更新率中獲益。所有的數(shù)據(jù)能夠被顯示出來，但是，采用“視覺后滯”算法可以把各個采集點覆蓋起來，因為這種算法采用顏色或密度等級以顯示所出現(xiàn)的頻率。它就像從上面看這個線跡的柱狀圖。
特征化更新率
更新率是一個動態(tài)的特性。它與重復(fù)采集有關(guān)，而與“單次采集”測量無關(guān)。并且，它會隨著示波器的時基設(shè)置、操作模式及其架構(gòu)而有所變化。
更新率會受到兩次采集之間的“死區(qū)時間”的限制。在“死區(qū)時間”(圖1)期間出現(xiàn)的任何事件，示波器都是觀測不到的。死區(qū)時間的來源有幾個。最重要的是它從采集存儲器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示所花的時間。
圖1．“在兩次采集之間的死區(qū)時間期間”出現(xiàn)的事件可能會觀測不到。
在基本水平線上，一些示波器在采集和顯示之間完全具有比另外一些示波器更快的數(shù)據(jù)連接。架構(gòu)也是要緊的。一些設(shè)計在重新填滿它之前，要把所有送到顯示器的數(shù)據(jù)清空；另一個方法是把來自不同采集存儲器的數(shù)據(jù)“打”到顯示器上；第三種辦法是讓數(shù)據(jù)排隊等待進(jìn)入顯示器。其它的因素包括所處理的存儲器的大小和在觸發(fā)系統(tǒng)中固有的延遲。
很多示波器具備能加速更新率的特殊模式。它們通過減少存儲深度或旁路大多數(shù)觸發(fā)電路來實現(xiàn)這一點。作為一個規(guī)則，這些特殊的模式需要對性能進(jìn)行折衷(如采樣率的減少或不能執(zhí)行甚至是簡單的觸發(fā))，并且要小心使用。
如果示波器具有一個外部觸發(fā)并且提供一種頻率計數(shù)器測量功能，如Agilent DSO5054A，就可以執(zhí)行的一個簡單實驗。采用50Ω BNC電纜能把外部觸發(fā)連接到示波器的通道 1。把示波器設(shè)置為自動觸發(fā)，頻率計數(shù)器測量將會計算每秒的觸發(fā)數(shù)，這與最大的更新率十分接近。如果示波器不提供外部觸發(fā)，用戶就可以替換一個高頻源作為輸入。
占空周期
如果把更新率和死區(qū)時間的概念放在占空周期的環(huán)境中，就更容易把這兩個概念形象化。對于一臺示波器而言，占空周期是示波器正在采集數(shù)據(jù)的時間百分比。在采集數(shù)據(jù)上花的時間越多，發(fā)現(xiàn)間歇事件的機(jī)率越多。
如果示波器的更新率是已知的，就很容易計算這一更新率。讓我們從更傳統(tǒng)的占空周期的定義開始:
由于示波器是一種顯示已知時間周期的時域儀器，我們能簡化該計算。
例如，示波器被設(shè)定為2μs/格，并且具有4 GSample/s的采樣率。所測得的更新率是每秒19,300個波形。
因此，在這個設(shè)置下，示波器采集數(shù)據(jù)占38.6%的時間。
針對你的調(diào)試方法的提示
圖2所示為占空周期隨著不同示波器的不同t/div設(shè)置而變化的情況。你要注意到兩種趨勢：
圖2：現(xiàn)實世界中示波器模式的負(fù)載循環(huán)曲線。
1．在不同示波器之間，占空周期會有多達(dá)2.5個數(shù)量級的變化。如果你有一個10MHz微處理器，在對存儲器進(jìn)行寫入操作的過程中，每100萬個周期會出現(xiàn)一次失敗，30%占空周期的示波器將會以每秒三次來顯示該錯誤；0.3%占空周期的示波器每33秒會顯示它一次。提示：如果這一示波器有較慢的更新率，用戶應(yīng)當(dāng)依賴于觸發(fā)來找到這些間歇問題。臨時的觀察是不充分的。
2. 占空周期會隨著時基(掃描)的放慢而增加。在每次采集中，數(shù)據(jù)數(shù)量的增加要比更新率減少的速度要更快。隨著示波器進(jìn)入“滾動(顯示)模式”， 占空周期就會變?yōu)?00%有效。提示: 降低掃描速度可以提高你利用所有型號示波器觀察間歇性異常的能力。
這些技術(shù)假設(shè)存在罕有的或不經(jīng)常發(fā)生的事件。如果要尋找“一次”性事件，硬件觸發(fā)仍然是最佳的選擇。然而，對于基本的系統(tǒng)特性描述和調(diào)試來說，快速的更新率允許更為深入地探究系統(tǒng)內(nèi)部的行為。
圖3
雖然本文重點討論的是更新率，但是，正是更新率、采樣率和存儲深度之間的相互影響，確定了示波器的有效性和用戶對其測量結(jié)果的信任程度(如圖3所示)。在選擇示波器時，用戶要記住這三項技術(shù)指標(biāo)，以及如何使之適應(yīng)待完成的測量任務(wù)。
關(guān)于作者
Phil Stearns是安捷倫公司電子測量組數(shù)字驗證分部負(fù)責(zé)評估示波器的產(chǎn)品經(jīng)理。
Phil擁有辛辛那提大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和凱斯西儲大學(xué)的MBA學(xué)位。Phil于1996年入職于惠普/安捷倫，并在推廣示波器和邏輯分析儀方面擔(dān)任過各種職位。Phil也曾在安捷倫的研發(fā)、營銷和顧問等職位工作過。
Phil目前是位于科羅拉多斯普林斯設(shè)計驗證分部負(fù)責(zé)評估示波器產(chǎn)品線的產(chǎn)品經(jīng)理。
這篇文章的積極意義在于明確給出了波形更新率（也叫刷新率）跟波形捕獲概率（工作效率）之間的關(guān)系，并給出了計算公式。這樣以來，我們就可以輕易的知道手頭示波器的工作效率（占空比）。拿54622D為例。
將時基設(shè)置為1ms/div,實時采樣率200MSa/s,trig out的頻率變?yōu)?5Hz,也就是說波形更新率每秒75個波形。
54622D 1mS/div時基
54622D trig out波形
大家可能已經(jīng)注意到pts per waveform為2M，其實這就是內(nèi)存深度，54622D的模擬通道存儲深度為2Mpts。
附：獲得54620D最大存儲深度時的對應(yīng)設(shè)置
時基設(shè)置為1us/div,實時采樣率200MSa/s,trig out的頻率是1.2kHz,也就是說波形更新率每秒1200個波形。
54622D 1uS/div 時基
54622D trig out波形
54622D 1uS/div 時基
54622D trig out波形
大家注意到這里的pts per waveform只有2k,這說明54622D在1uS/div的時基下由于只有最大200Msps的采樣率，所以只能達(dá)到2k深度的內(nèi)存，而達(dá)不到標(biāo)稱的2M。后續(xù)型號54640系列將最大采樣率做到2Gsps,4M的存儲深度，這樣就可以在2us/div的時基下，達(dá)到2Gsps的采樣率，但當(dāng)時基小于2us/div時，仍然要受限于采樣率而犧牲存儲深度。
從以上可以看出54622D的波形更新率最高1.2k次每秒，最低只有幾十次每秒。工作效率最高可達(dá)75%，此時死區(qū)所占比例最小，存儲器的利用率最高。
下圖是在相同時基下，不同內(nèi)存深度的示波器所具有的最大采樣率。10k內(nèi)存深度可看成是Tek的TDS3000系列。以TDS3014為例，在1uS/div時基下，達(dá)到1Gsps的采樣率，當(dāng)時基小于1uS/div時，采樣率仍為1Gsps。反過來說，如果你手頭的示波器最大采樣率只有1Gsps的話，不管其標(biāo)稱的存儲深度有多深，在10nS/div的時基下，全屏只有100個樣點。
附：獲得54620D最大存儲深度時的對應(yīng)設(shè)置
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