為什么示波器的波形更新率非常重要？
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帶寬、采樣率和存儲器深度是工程師選擇數(shù)字示波器時(shí)最常使用的評估指標(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)您評估示波器時(shí)，其反應(yīng)能力會影響您的決定。為正確感受示波器反應(yīng)是否敏捷，只需探測相對快的重復(fù)信號和觀看其反應(yīng)。如果示波器的顯示更新太慢，就會感到這臺示波器非常遲鈍，因而極不好用。今天一些有較深存儲器的示波器就屬于這種情況，因?yàn)樘幚砩畲鎯ζ饔涗浂鴾p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。“實(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。但人眼并不能辨析這一量級的差別。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)到這一量級至關(guān)重要。如果您要觀察的是精確重復(fù)的信號(無異常)，那么極快的更新率并不很重要。但當(dāng)信號并非精確重復(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)中的不同信號來驗(yàn)證正確的信號保真度，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Agilents6000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)定信號的統(tǒng)計(jì)概率約為每秒二次。采用專有MegaZoomIII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，我們的系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)對建立保持時(shí)間指標(biāo)的超差，如圖2所示。
圖3是嘗試用TektronixTDS3000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10k點(diǎn)的最大存儲器。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(10ns/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LeCroyWaveSurfer400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LeCroyWaveSurfer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AgilentMSO6000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)情況又會如何呢?如前所述，TektronixTDS5000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1.25GSa/s
·限制存儲器深度
·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200ps/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10ns/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1.25GSa/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/)，這是相當(dāng)不錯(cuò)的，但它約為此設(shè)置時(shí)AgilentMSO6000系列示波器波形更
新率的1/3而且對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。
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