原创 示波器波形更新率确定捕获到难解事件的概率

引言
　　带宽、采样率和存储器深度是工程师选择数字示波器时最常使用的评估指标。波形更新率则是另一项重要的考虑因素。示波器采集波形和更新显示的速率确定了捕获到随机和偶发事件，例如毛刺的概率。这篇文章通过调试应用 ── 试图捕获随机和偶发产生的亚稳态 ── 来说明波形更新率的重要性。文章也讨论了使用专门的重复快采集模式，以及可能的权衡。
　　当您评估示波器时，其反应能力会影响您的决定。为正确感受示波器反应是否敏捷，只需探测相对快的重复信号和观看其反应。如果示波器的显示更新太慢，就会感到这台示波器非常迟钝，因而极不好用。今天一些有较深存储器的示波器就属于这种情况，因为处理深存储器记录而减慢了更新率。一般来说，如果示波器显示达到至少每秒二十次更新，所显示的波形将表现为“实况”，并感觉示波器反应敏捷。但波形更新率的重要性远不止是反应能力这一个方面。“实况”感觉并不能说明示波器捕获到偶发和随机事件的概率。
　　今天的一些示波器厂商宣称更新率达到数十万波形?M秒的量级。但人眼并不能辨析这一量级的差别。当您调试高速数字电路时，由于能增加捕获偶发事件的概率，因此示波器更新率达到这一量级至关重要。如果您要观察的是精确重复的信号（无异常），那么极快的更新率并不很重要。但当信号并非精确重复 ── 即有异常产生时 ── 随机和偶发产生的事件会使您大伤脑筋。更快的更新率能提高捕获到难解事件的概率，为您的调试提供帮助。

用实时采样捕获亚稳态
　　图1示出一个随机亚稳态（毛刺），它在数据信号中平均每50,000个周期仅产生1次。如果您事先知道该事件为随机发生，就可把大多数示波器设置在毛刺条件上触发 ── 即根据最小脉冲宽度设置示波器 ── 从而可靠捕获示波器各次采集上的毛刺。但如果您不知道毛刺的存在，就可能只是简单探查设计中的不同信号来验证正确的信号保真度，因此示波器设置在标准的上升或下降沿条件上触发。
　　由于它们相对慢的更新率，大多数示波器为捕获偶发事件，需要采集远不止是几秒的数据。如果您打算用一般调试方法，在每一测试点上探测几秒钟，并想捕获到各结点上可能产生的偶发事件，示波器就必须有极快的更新率。

图 1. Agilent MSO6000 系列示波器用实时采样捕获到的偶发亚稳态
　　图1是用 Agilent's 6000系列示波器捕获到的毛刺，该示波器甚至能在带sin(x)/x重建时，用实时采样达到100,000次?M秒的波形更新。在这一更新率下，示波器捕获到该特定信号的统计概率约为每秒二次。采用Agilent专有第三代 MegaZoom 技术的Agilent示波器实现了这一业内领先的实时更新率。

　　一旦我们发现电路存在非预期的行为，就可开始进一步调试我们的系统。使用混合信号示波器（MSO）的逻辑通道，就能设置跨多个模拟和数字通道的组合逻辑码型触发条件。它揭示由于时钟抖动，我们的系统偶尔出现对建立―保持时间指标的超差，如图2所示。

图 2. 码型触发揭示建立―保持时间超差
　　Agilent 6000系列示波器实现每秒 100,000个实时波形的意义何在？可把它与今天市场上的其它示波器作一比较。使用其它数字示波器的默认实时采样模式，波形更新率范围约60至 700波形。虽然60波形?M秒对于示波器的“实况”感觉是足够快的，但为捕获到每 50,000个周期平均仅产生一次的特定亚稳态，需要把探头放在测试点上的平均时间将近 14 分钟。即使是听起来给人印象深刻的700波形?M秒，把探头放在测试点上的平均时间也超过1分钟。
　　如果您打算用一般调试方法，在每一测试点上探测几秒钟，使用任何其它DSO的默认实时采集模式都可能丢失这一事件。为在几秒钟内捕获这一特定错误事件，您需要示波器有每秒数万个波形，甚至更快。

使用专门的采集模式
　　使用其它“专门”采集模式情况如何呢？今天市场上的一些宣称具有100,000波形?M秒量级的波形更新率。但这需要选择专门的快采集模式。示波器中的“专门”工作模式会在其它方面有所牺牲，通常会影响采样率和采集存储器深度 ── 有时需要用重复?M等效时间采样模式代替实时采样。此外，它也影响示波器的测量功能，包括波形测量，波形运算，以及对保存波形的平移和缩放。
　　虽然对于捕获偶发事件，专门的快采集模式有时也不失为一种正确选择，但您应知道在使用这一“专门”工作模式时，必须考虑在性能和功能上作出的权衡。此外，虽然某种示波器可能宣称使用特定工作模式达到100,000波形?M秒量级的波形更新率，但这些更新率可能仅适用于很窄的条件，而且可能给出的是离散点 ── 而不是各采集周期的完整波形。

定义完整波形
　　并非所有建立的波形都相同。您如何定义一个完整的波形？根据定义，当您使用带重建sin(x)/x的实时采样时，每一次采集将产生一个包括最小为500至1000点的完整波形。但当您使用等效时间?M重复采样，大多数使用“专门”快采集模式的示波器产生的波形并不完整，越快的时基范围上有越宽的样本间距。以200 ps/div为例，今天市场上的某种示波器在每一个采集周期只产生2.5点（平均），这是因为选择专门快采集模式时示波器被限制为只有1.25GSa/s的最大采样率。显然，这样的点数对于定义一个完整波形是不足的。虽然这些示波器在较快时基范围时能保持超过100,000采集?M秒的采集率，但在此设置下并不能每秒产生100,000个完整波形。因此为比较使用专门等效时间采样技术的各种示波器的波形?M秒，必须规范在较快时基范围的实际采集率，从而计算“完整”波形?M秒的更新率。Agilent建议用最小500数字化点作规范系数。因此如果某种示波器能达到100,000采集?M秒的更新，但每次采集仅产生2.5点，就需要通过约200个采集周期，才能产生一个包括500点的“完整”波形。这意味着有效波形更新率并非100,000波形?M秒（使用专门的快采集重负采样），而实际仅为500个“完整”波形?M秒。

　　除了提醒您注意专门的快采集模式外，您还应知道许多其它设置条件的变化都会影响波形更新率，包括时基范围、测量、有效通道数、存储器，以及显示波形的复杂程度等。图 3示出Agilent新6000系列示波器作为时基设置函数的波形数?M秒。

图3. 作为时基设置函数的Agilent 6000系列示波器的波形更新率

总结
　　虽然工程师在选择数字示波器时通常会了解波形更新率性能，但波形更新率对您发现和排除间歇性电路问题的能力有重大影响。采用 MegaZoom 技术的 Agilent 6000 系列示波器提供最快的实时波形更新率，而不要求使用者选择专门的工作模式，从而避免在性能和功能上作出权衡。由于Agilent混合信号示波器有16个逻辑定时通道，使找到间歇性故障的原因成为比较容易的任务。为更深入讨论波形更新率的重要性，请参看Agilent应用指南1551“改进您捕获难解事件的能力：为什么示波器的波形更新率非常重要？”，您可从www.agilent.com/find/scopes下载这篇应用指南。