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示波器波形更新率确定捕获到难解事件的概率
日期：2024-12-23 22:45
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摘要：
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*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∕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**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**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*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's6000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∕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**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∕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∕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∕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∕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∕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*小为500至1000点的完整波形。但当您使用等效时间∕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200ps/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*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∕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∕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∕秒的更新率。Agilent建议用*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∕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∕秒（使用专门的快采集重负采样），而实际仅为500个“完整”波形∕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∕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*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。
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*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∕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**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**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*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's6000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∕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**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∕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∕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∕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∕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∕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*小为500至1000点的完整波形。但当您使用等效时间∕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200ps/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*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∕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∕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∕秒的更新率。Agilent建议用*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∕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∕秒（使用专门的快采集重负采样），而实际仅为500个“完整”波形∕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∕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*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。