關(guān)注深存儲示波器刷新率指標(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理由，第一，示波器的數(shù)字刷新率對儀器的可用性影響很大；第二，采集/波形刷新率會影響捕獲偶發(fā)異常事件和毛刺的統(tǒng)計概率。

刷新率對示波器可用性的影響

數(shù)字存儲示波器于上世紀(jì)80年代首次投放市場，與模擬示波器相比其最大的缺點是響應(yīng)性能不好。當(dāng)時常見的數(shù)字示波器采集刷新率只有每秒一兩個波形，存儲器的深度也只有1,000個點。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)人員用示波器對電子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，常常是將示波器用作一個“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、時基等等，如果設(shè)置變換時顯示屏上的刷新變化很慢，則不僅令人感到心煩而且還會拖慢整個調(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10萬個點的存儲深度解決了示波器響應(yīng)性問題。憑經(jīng)驗來看，如果示波器對一個新的采集能夠達(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)字存儲示波器具有“動態(tài)”的感覺。

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

為了解決深存儲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)幾十萬個波形記錄。問題解決了嗎？也是也不是。快速采集確實解決了刷新率問題，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，最大采樣率和存儲深度都限定在示波器最大指標(biāo)值以內(nèi)，此外，對長波形的放大、自動測量和數(shù)學(xué)計算等功能也都在禁用之列，所以這只是一種特殊運行方式。

安捷倫科技的示波器采用MegaZoom技術(shù)來解決深存儲的響應(yīng)性問題。使用MegaZoom深存儲器，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波形。MegaZoom絕非特殊示波器運行方式，而是標(biāo)準(zhǔn)運行方式，用戶可以充分訪問存儲記錄，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“動態(tài)”的感覺。

雖然快速采集方式每秒捕獲幾十萬個波形仍然優(yōu)于MegaZoom的每秒幾萬個波形，但考慮到可用性問題哪一個更好則并不一定。所有數(shù)字存儲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。快速采集限制了很多功能(包括放大能力、測量和波形數(shù)學(xué)計算)的使用，這些也都是考慮可用性的其它因素。歸根結(jié)底，評價示波器可用性的唯一方法是親自去試一試。

刷新率對捕獲偶發(fā)異常事件的影響

在捕獲偶發(fā)事件時，數(shù)字刷新率對捕獲異?，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)字存儲示波器每秒只能捕獲幾萬個波形，前者一定優(yōu)于后者，然而事情并非如此簡單。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)。例如示波器每秒識別幾十萬個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個采樣)和存儲深度(最大1MB)的限制。此外，數(shù)字刷新率的一個關(guān)鍵是輸入信號觸發(fā)率，如果輸入信號觸發(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間特性，空閑時間是指兩次信號采集之間的時間段，在此期間內(nèi)示波器處理數(shù)字化信息并準(zhǔn)備重新啟動下一次采集過程(圖1)。

縮短空閑時間可以提高空閑時間內(nèi)可能發(fā)生事件的捕獲概率，但如果縮小空閑時間是以犧牲采集時間內(nèi)的數(shù)字化性能為代價，那么與空閑時間較長的示波器相比其捕獲偶發(fā)事件的總體概率可能會更低。在具有快速采集功能的示波器上采取降低采樣率和存儲深度的方式確實能改善空閑時間特性，但卻會降低采集時間內(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較長時間段內(nèi)數(shù)字化點數(shù)(如每秒數(shù)字化點數(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)字化點數(shù)與采樣率是不同的，采樣率總是以每秒采樣數(shù)來計算，它表明的僅僅是采集時間內(nèi)的數(shù)字化速率，在示波器空閑時間內(nèi)，采樣率永遠(yuǎn)為0。指定一秒(或更長時間)數(shù)字化總點數(shù)表示了較長時間段內(nèi)采集的點數(shù)，其中既包含采集時間也包含空閑時間數(shù)字化點數(shù)，其實也可將其想象為較長時間段內(nèi)的平均數(shù)字化速率，這段時間包含了采集時間(最大采樣率)和空閑時間(0采樣率)。

指定每個時間段的數(shù)字化點數(shù)之后，用戶就可以對捕獲偶發(fā)事件(無論發(fā)生在采集時間內(nèi)還是空閑時間內(nèi))的統(tǒng)計概率有一個更準(zhǔn)確的概念。不幸的是多數(shù)示波器制造商的資料和手冊中還沒有普遍采用這個指標(biāo)，之所以如此是因為有太多的變量需要考慮，如掃描速度、通道數(shù)、存儲深度等等。為了對快速采集方式和 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)運行條件(單通道運行、實時采樣、禁用自動測量與數(shù)學(xué)計算功能)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，比方說當(dāng)示波器以很快的時基顯示波形時，實際上在屏外也會有很多數(shù)字化點，但由于這個分析只是試圖說明實際可見的偶發(fā)事件概率，故屏外數(shù)據(jù)點沒有用處，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)字化點數(shù)的首要變量是示波器時基設(shè)置，當(dāng)掃描速度設(shè)定在每刻度2μs或更快時，快速采集示波器因其空閑時間短而要好一些，但必須注意的是快速采集示波器對采樣率是有限制的。即便其每秒數(shù)字化點數(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，MegaZoom示波器表現(xiàn)更好，因為它在采集時間內(nèi)的采樣率和存儲深度都更大(在采集時間內(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也可能表現(xiàn)出高速特性，如快速上升時間，其實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間可能并不取決于最小重新啟動時間和處理時間，而只是由輸入信號的觸發(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)實際條件下，MegaZoom示波器可能會因其較高采樣率和較深的存儲能力而更佳。

如果要捕獲一個長的串行數(shù)據(jù)流中某個不小心出現(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。

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