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示波器的波形刷新率 噱頭還是真香?

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購買示波器需要考慮很多因素:帶寬、采樣率、存儲深度、是否具有串行解碼等。

然而,有一個建議幾乎每個示波器購買者都至少聽說過一次,那就是確保新示波器具有非常高的波形刷新率。事實上,是德科技等一些示波器制造商已將更新速率作為主要的營銷賣點。

波形更新率 (Waveform Update Rate/WUR) 或觸發率是示波器每秒可以進行多少個采集的速率。為什么這很重要?

當您在 RUN 模式下使用 DSO(數字存儲示波器) 時,它通常會按下面的順序來執行采集:

(--1--)(2](-----------------3-----------------)(------------------------------------------------------------------4------------------------------------------------------------------)

  1. 等待觸發

  2. 觸發到達

  3. 采集信號直到可用內存已滿

  4. 處理樣本數據以供顯示,觸發電路重新準備

  5. 返回.

問題在于,相對于其他幾個階段來說,處理階段的步驟 4 消耗的時間非常長,在此期間示波器相當于一個盲人,看不見信號。一般來說,即使在快速示波器上,盲階段也可能占一個序列總時間的 97% 左右。如果在此盲階段(也被稱為“死區時間”)期間有任何觸發事件,示波器將會錯過它。

大多數供應商都在宣傳其示波器的高刷新率。尤其是是德科技(原安捷倫,以前是惠普的 T&M 部門)自 1995 年惠普推出第一款 MegaZoom ASIC 以來,就將波形更新率作為其通用示波器營銷的重大賣點。多虧了這款新的 ASIC, HP 的新型 54645A/D 數字示波器提供了以前在數字示波器上無法實現的更新速率(通常只有每秒幾次更新的緩慢更新速率)。今天,像 Keysight DSO-X3000T 這樣的示波器可以達到每秒超過 100 萬的波形更新率。

高波形刷新率的擁泵認為,捕獲非常罕見的事件至關重要,因為較慢的波形刷新率會錯過這些事件。捕捉這些毛刺的方法通常是良好的舊余輝模式,這種模式是模擬示波器的熒光粉效應,并且保留以最近的波形(通常處于漸漸變暗狀態)。這種起源于模擬示波器的常用方法,目前仍被廣泛用于查找重復信號中的欠幅或毛刺,很多數字示波器可以模擬這種熒光效果,成為數字熒光示波器。顯然,波形刷新率越好,即死區時間越小,示波器看到罕見事件的可能性就越大。

我需要高刷新率示波器嗎?

一個自然而然的疑問就產生了,為了捕獲信號中的異常,我的示波器的波形刷新率得非常高才行,對吧?

為了回答這個問題,讓我們看一些實際示波器的例子。我們使用是德科技自己的 白皮書 中的數據。在白皮書中,是德科技認為高波形更新率對于捕獲罕見事件尤其重要,并為其一些和競爭對手的示波器提供了刷新數據。遺憾的是,白皮書僅包含兩種示波器 Keysight DSO-X3000T 和 Tektronix MDO3000 的死區時間百分比(%DT,即示波器盲時間百分比)計算。

Keysight InfiniiVision DSO-X3000T 是一款專為高更新率而設計的典型示波器,得益于其第四代 MegaZoom ASIC,它實現了超過 100 萬次/秒的更新。用戶界面響應快速,是一個雙快的示波器。

另一方面,泰克 MDO3000 采用慢速架構,需要特殊模式 (FastAcq) 才能實現更高的波形速率,而在正常模式下,更新速率非常低(FastAcq 也有其自身的一些缺點)。與其他泰克 DSO 一樣,MDO3000 UI界面有時候響應遲緩,是一個雙慢的示波器。

讓我們看下面的一組數字:

Keysight DSO-X3000T:高達 1'030'000 個波形/秒,89.70%DT

泰克 MDO3000:2'200 個波形/秒(正常模式)/280'000 個波形(FastAcq 模式),99.98%DT(正常模式)/ 97.20%DT(FastAcq 模式)

DT 表示死區時間占比。

是德科技自然認為自己的產品更好,因為它更有可能“看到”罕見事件。并且“看到”在這里必須按字面意思理解,因為是德科技提出的尋找毛刺的方法與上面描述的持久性模式相同。然而,即使是速度極快的 DSO-X3000T 在幾乎 90% 的時間里都是失明的。這意味著即使是這個非常快的示波器也僅僅有大約十分之一的機會看到罕見的事件。

即使波形刷刷新率很高,錯過故障的概率仍然是高達 90%。

這對我的信號意味著什么

這意味著,如果你在示波器上看到了異常信號,你知道信號中存在問題。然而,由于死區時間在所有數字示波器中的占比都很大,當沒有看到異常信號時,不意味著沒有。簡而言之,僅僅因為示波器在余輝模式下顯示出清晰的信號并不意味著沒有異常。幾乎有十分之九的機會錯過異常信號,幾乎不可能肯定的說到底有沒有異常。

因此,雖然較高的波形刷新率提高了 DSO-X3000T 看到罕見事件的機會,但它錯過它的可能性仍然比看到它高出近 9 倍。這意味著即使是很高的波形刷新率也不能真正解決示波器的死區時間問題。

如果你購買高波形刷新率的示波器的理由是為了捕獲異常信號,那么很明顯,你要失望了,因為高刷新率示波器與低刷新率示波器在錯過異常信號的幾率大同小異,無非就是五十步笑百步的問題。

而且,高波形刷新率示波器波形刷新率并非一直高,事實上這些示波器只有在非常特定的設置下才能達到如此高的速率。

現在應該清楚的是,高波形更新率的說法主要是一種營銷噱頭。

那咋整?

實際上,有一種方法可以確保不會錯過罕見事件,甚至不需要高波形刷新率的示波器。該解決方案稱為“觸發器”。與其模擬祖先不同,大多數較新的數字存儲示波器(DSO)具有好幾種觸發功能,從非常基本的邊沿觸發到復雜的邏輯和串行解碼觸發,再到違規和排除觸發,通常具有各種釋抑(Holdoff)選項。

發現異常的關鍵是設置觸發,以便它們捕獲與所需信號的任何偏差。這可能是欠幅(runts)、毛刺(glitches)或電壓或頻率的任何偏差(deviation)。由于觸發電路開啟實際的捕獲階段,因此在觸發觸發期間是沒有盲區時間的,一旦觸發,它不會錯過任何事件。它以絕對的可靠性做到這一點。

只有通過硬件觸發器,硬件工程師才能確定在調試期間確認到底有沒有異常。如果有,工程師會知道的。這就是為什么如果我們查看高端示波器(即在 Windows 平臺上運行,價格超過 20  萬人民幣以上的示波器),我們會發現它們中的大多數提供非常低的波形刷新率,通常每秒幾千個波形。為什么?因為有觸發,各種觸發!

更高級的示波器還可以提供歷史記錄,即時間和發生次數的記錄,并且可以設置為在發現問題時發出警報、執行測量或截屏。然后可以使用這些數據來縮小問題的范圍。因此,您可以設置示波器,然后下樓溜達一圈或是在下班時讓它一直在那兒運行。當您回來時,示波器將完成所有工作,并且可以可靠地告訴你在你不在期間是否有任何異常發生。

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