引言
帶寬、采樣率和存儲器深度是工程師選擇數(shù)字示波器時*常使用的評估指標。波形更新率則是另一項重要的考慮因素。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，我們比較來自三個廠家，具有類似帶寬和價格競爭的四種示波器的波形更新率。
當您評估示波器時，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，因為處理深存儲器記錄而減慢了更新率。一般來說，如果示波器顯示達到至少每秒二十次更新，所顯示的波形將表現(xiàn)為“實況”，并感覺示波器反應(yīng)敏捷。但波形更新率的重要性遠不止是反應(yīng)能力這一個方面。“實況”感覺并不能說明示波器捕獲到偶發(fā)和隨機事件的概率。
今天的一些示波器廠商宣稱更新率達到數(shù)十萬波形/秒的量級。但人眼并不能辨析這一量級的差別。當您調(diào)試高速數(shù)字電路時，由于能增加捕獲偶發(fā)事件的概率，因此示波器更新率達到這一量級至關(guān)重要。如果您要觀察的是**重復(fù)的信號（無異常），那么極快的更新率并不很重要。但當信號并非**重復(fù) 即有異常產(chǎn)生時 隨機和偶發(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。
用實時采樣捕獲亞穩(wěn)態(tài)
圖1 示出一個隨機亞穩(wěn)態(tài)（毛刺），它在數(shù)據(jù)信號中平均每50,000個周期僅產(chǎn)生1次。如果您事先知道該事件為隨機發(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)*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)計中的不同信號來驗證正確的信號保真度，因此示波器設(shè)置在標準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，在每一測試點上探測幾秒鐘，并想捕獲到各結(jié)點上可能產(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 Agilent's 6000 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，用實時采樣達到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時采樣捕獲亞穩(wěn)態(tài)定信號的統(tǒng)計概率約為每秒二次。采用專有MegaZoom III 技術(shù)的Agilent示波器實現(xiàn)了這一業(yè)內(nèi)**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。它揭示由于時鐘抖動，我們的系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)對建立 保持時間指標的超差，如圖2 所示。
圖3 是嘗試用Tektronix TDS3000 系列示波器捕獲同樣的異常事件，該示波器采用默認的實時采集模式，具有10 k 點的*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上探測 1 分鐘，才能捕獲到每 50,000個周期平均僅產(chǎn)生一次的一個偶發(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，以提高其更新率。因此在調(diào)試數(shù)字系統(tǒng)時，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（10 ns/div）下也僅把更新率改進到約3,000波形/秒，為捕獲到一個毛刺，需要保持探頭與測試點約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/ 秒的標志性波形3用實時采樣捕獲亞穩(wěn)態(tài)（續(xù)）更新率指標。但由于其默認的實時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“實況”感覺是足夠快的，但為捕獲到僅僅一個毛刺，需要把探頭放在測試點上的平均時間將近 14 分鐘。
圖5是嘗試用LeCroy WaveSurfer400 系列示波器默認的實時采集模式捕獲同樣的異常事件。由于在此時基設(shè)置下示波器的實時更新率僅165 波形/ 秒，把探頭放在測試點上10 秒后，我們未捕獲到任何異常。為使用LeCroy WaveSurfer示波器捕獲該毛刺，需要在該測試點上探測將近5 分鐘。
使用專門的采集模式
在使用四種不同示波器實時采集模式的上述例子中，只有采用MegaZoom技術(shù)的 Agilent MSO6000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”采集模式時情況又會如何呢？如前所述，Tektronix TDS5000 系列示波器宣稱具有高于100,000 波形/ 秒的標志性波形更新率指標。該更新率對捕獲偶發(fā)事件（50,000 周期中的1個）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*大采樣率限制為1.25 GSa/s
·限制存儲器深度
·禁用波形運算
·禁用 sin(x)/x 重建
·禁用點連接
·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 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。您如何定義一個完整的波形？根據(jù)定義，當您使用帶重建sin(x)/x的實時采樣時，每一次采集將產(chǎn)生一個包括*小為500 至1000 點的完整波形。但當您使用等效時間/ 重復(fù)采樣，包括 TDS5000 系列示波器的
Tektronix的FastAcq模式時，各重復(fù)采集周期將產(chǎn)生不完整的波形，越快的時基范圍上有越寬的樣本間距。以200 ps/div 為例，Tektronix 的FastAcq模式在每一個采集周期只產(chǎn)生2.5 點（平均），這是因為示波器被限制為只有1.25GSa/s的*大采樣率。這樣的點數(shù)對于定義一個完整波形是不足的。雖然這些示波器在使用FastAcq 時能保持超過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 個完整波形。
因此為比較使用等效時間采樣技術(shù)的各種競爭示波器的波形/秒，必須規(guī)范為在較快時基范圍的采集率，從而計算“完整”波形/秒的更新率。
在這篇應(yīng)用指南中為進行有實際意義的比較，我們把完整波形的標準定為*小500 點。在10 ns/div（這是捕獲我們亞穩(wěn)態(tài)所用的時基設(shè)置）時，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*大采樣率限制為僅1.25 GSa/s，因此每次
采集只產(chǎn)生125 點。如果我們使用500 點的規(guī)范化系數(shù)，可看到Tektronix 示波器約每秒產(chǎn)生35,000個完整的或規(guī)范化的波形（采集率/[500點/每次采集的采集點數(shù)]），這是相當不錯的，但它約為此設(shè)置時Agilent MSO6000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。
比較波形數(shù)/ 秒
除了選擇采集模式外，許多其它設(shè)置條件的變化都會影響示波器的更新率，包括時基范圍、測量、有效通道數(shù)、存儲器，以及顯示波形的復(fù)雜程度等。圖 7 示出作為時基設(shè)置函數(shù)的波形數(shù)/ 秒，所有4種示波器都使用其*快的采集模式。在這一波形更新率測試中，為收集數(shù)據(jù)的設(shè)置條件作了優(yōu)化，以展示各種示波器在*好條件下的更新率性能。這些設(shè)置條件包括單通道采集，觸發(fā)參考點在中心屏幕處，以及測量和波形運算關(guān)。
2 種Tektronix 示波器為得到*快更新率，TDS3000 系列示波器需選擇專門的快觸發(fā)模式，TDS5000系列示波器需選擇FastAcq 模式。LeCroy WaveSurfer示波器使用等效時間采樣。而Agilent 6000系列示波器實現(xiàn)*快更新率不需要選擇專門的工作模式。Agilent 示波器使用帶sin(x)/x 和點連接（矢量）的默認實時采樣模式得到其整體上*快的更新率。雖然 Tektronix 的FastAcq 模式接近 Agilent 6000 系列示波器的性能，對于捕獲偶發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)不失為一種好的選擇，但您應(yīng)知道在使用這一專門工作模式時，必須考慮在性能和功能上作出的權(quán)衡。
作為比較，圖 8 是所有4 種示波器在使用各自默認實時采集模式時的每秒波形更新率圖。注意圖中垂直刻度是對數(shù)坐標。在大多數(shù)情況下，當使用默認實時采樣模式時，Agilent MSO6000 系列示波器達到的更新率要比競爭示波器快幾個數(shù)量級。
圖7和圖8更新率圖中使用的測量和計算數(shù)據(jù)見本文附錄A 和附錄B，包括圖中未示出的Agilent 等效時間模式。
總結(jié)
雖然工程師在選擇數(shù)字示波器時通常會了解波形更新率性能，但波形更新率對您發(fā)現(xiàn)和排除間歇性電路問題的能力有重大影響。采用MegaZoom III 技術(shù)的 Agilent 6000系列示波器提供這一檔次示波器的*快波形更新率，而不要求使用者選擇專門的工作模式，從而避免在性能和功能上作出權(quán)衡。由于Agilent混合信號示波器有16個邏輯定時通道，使找到間歇性故障的原因成為比較容易的任務(wù)。
術(shù)語
等效時間采樣 重復(fù)使用多個采集周期數(shù)字化輸入信號
FastAcq 某些Tektronix 示波器使用的一種專門的等效時間采樣模式，它可改進更新率，但會犧牲示波器的采集性能和功能。
MegaZoom III Agilent **第三代示波器技術(shù)，在使用深存儲器時提供快更新率和高分辨率顯示質(zhì)量
亞穩(wěn)態(tài) 數(shù)字電路的一種不穩(wěn)定輸出條件，通常由輸入的建立和/ 或保持時間超差造成，并作為毛刺出現(xiàn)。
混合信號示波器 (MSO) 一種具有附加邏輯定時分析通道的示波器，能建立跨模擬和數(shù)字輸入的時相關(guān)和組合觸發(fā)
實時采樣 使用高采樣率由單次采集數(shù)字化輸入信號
Sin(x)/x 重建 重建實時采樣波形的DSP 濾波器特性，在遵從Nyquist 定律時提供更高分辨率，以更**地描繪實際信號
