示波器基本原理之四：波形捕獲率

[整理自Keysight官網資料]

波形更新率能夠說是極爲重要的 — 有時與帶寬和存儲深度同樣重要。全部的示波器都有一個內在特性，稱爲「死區時間」。這是示波器進行每一次重複採集之間的時間，此時其正在處理先前採集的波形。遺憾的是，示波器的死區時間有時會比採集時間更長。在示波器的死區時間期間，任何出現的信號將會丟失，這會使隨機採集和示波器的罕見毛刺成爲一種賭博。

1. 瞭解示波器靜寂時間

在您調試新設計時，波形和解碼捕獲率極爲重要，尤爲是當您嘗試找出並調試偶發或間歇發生的異常時，這是最難解決的問題。更快的波形和解碼捕獲率可提升示波器捕獲偶發事件的概率。要知道這是爲何，首先您必須瞭解什麼是示波器的「靜寂時間」（有時也稱爲「死區時間」）。全部示波器都有「靜寂時間」，如圖 1 所示。「靜寂時間」是指示波器兩次採集之間（即示波器處理上一個捕獲波形，而後將其顯示在示波器顯示屏上）的時間。在此處理過程當中或靜寂時間內，示波器「無視」 您正在調試的設計中出現的任何信號活動。

請注意圖 1 中突出顯示的毛刺發生在示波器的靜寂時間內。在兩次示波器採集週期以後，這些毛刺不會在示波器屏幕上顯示。當您知道設備的捕獲速率時，可輕鬆計算示波器的靜寂時間百分比。示波器的靜寂時間百分比等於示波器採集週期減去屏幕上捕獲時間得出的值和示波器採集週期的比率。示波器的採集週期是示波器波形捕獲率的倒數，必須根據所用的特定設置條件進行測量。

然而，示波器的靜寂時間要比屏幕上捕獲時間長了幾個數量級，即使是擁有極高捕獲率的示波器也是如此。這是多數示波器廠商竭力迴避的一個事實。也就是說，經過示波器來採集偶發事件和複雜疑難事件，純粹是以幾個不一樣的設置參數爲基礎的概率遊戲。事實上，示波器捕獲偶發事件的概率和擲色子時猜中哪一面向上的概率算法相似。首先咱們來看一下擲色子的概率，其次再討論它與示波器捕獲概率之間的關聯。

2. 擲色子的啓示

當您一次擲一個色子（六面）時，某一面向上的概率是 1/6，很是好算！那麼擲兩次色子時，至少一次某一面向上的概率是多少呢？若是不認真思考，有人可能會直觀地認爲概率是 2/6 或 33.3%。假設這種推斷正確，那麼擲 10 次色子時至少一次某一面向上的概率豈不是大於 100% ？這顯然是不可能的。「S」面的色子擲「N」次時，至少一次某一面向上概率（PN）的百分比爲：

爲了便於理解，實際上先考慮計算某一面不向上的概率做爲相反的結果要比直接計算某一面向上的概率更簡單。擲色子時某一面不向上的概率是「(S-1)/S」。所以一個六面的色子某一面不向上的概率是 5/6。擲色子的次數（N）越多，這一面一直不向上的概率就成指數降低。也就是說，至少出現一次這一面向上的概率逐步增長，但毫不會達到或超過 100%。

對於示波器捕獲率來講，「S」是異常事件的平均出現時間與示波器顯示窗口時間的比率。例如，若是一個毛刺每 10 ms（每秒 100 次）出現一次，而示波器時基設置爲 20 ns/ 格，則屏幕上捕獲時間爲 200ns，那麼 S = 10 ms/200 ns 既 50000。

在本例中，便是一個 50000 個面的色子，您能夠藉助圖 2 中的色子想象一下，出現異常波形的那一面向上的概率。所以僅一次採集就可捕獲毛刺的概率是 1/50000，而沒法捕獲毛刺的概率是 49999/50000。

爲了在固定時間段內提升捕獲偶發毛刺的概率，示波器必須屢次捕獲信號，並且越快越好。這就是方程中要加入的示波器波形捕獲率因數。「N」是指示波器的捕獲數量，等於示波器波形捕獲率乘以適當的觀察時間。觀察時間是指觀察示波器屏幕上的波形的時間，以肯定將探頭移到另外一個測試點以前狀態是否正常。對於示波器來講，異常事件捕獲概率方程可簡化爲：

3. 毛刺捕獲比較

使用上述概率方程和靜寂時間方程式，能夠對兩個具備類似性能特徵和價位的 500-MHz 帶寬示波器進行測量比較。

在進行比較測量時，使用真實電路來生成一個隨機亞穩狀態（偶發毛刺），平均每秒生成大約 5 次。分別啓用每一個示波器的默認設置（Default Setup）。因爲咱們須要觀察的毛刺長度爲 5 至 15 ns 的跨度，所以針對這個特定測量，咱們將時基設置爲最佳的 10 ns/ 格。爲了能讓每一個示波器實現最高捕獲率，我也沒有開啓其餘的特殊功能，好比測量、波形運算、串行總線分析，或數字通道採集等。每一個示波器開啓 5 秒鐘的餘輝，但這不會影響它的最佳波形捕獲率。使用示波器的默認上升邊沿觸發條件，觸發電平設爲 +1.40 V；在採集過程當中出現的亞穩狀態能夠在屏幕中央看到。爲了肯定示波器捕獲毛刺的概率，在計算中假定 5 秒是合適的觀察時間。

從圖 3 中能夠看到 Keysight 3000 X 系列示波器以 1,000,000 個波形 / 秒的波形捕獲率可以在 5 秒鐘內可靠地捕獲屢次隨機和偶發亞穩狀態。

經過如下計算方程能夠算出 Keysight 3000 X 系列示波器的靜寂時間百分比：

當時基設置爲 10 ns/ 格時，儘管示波器的靜寂時間百分比約爲 90%，可能感受會顯得過長，但在 5 秒內捕獲毛刺的概率實際上很是高，經過如下概率計算方程得出：

使用 Tektronix DPO/MSO3000 系列信號示波器，測量結果有很大差別，如圖 4 所示。

儘管該示波器所宣稱的波形捕獲率高達 55,000 個波形 / 秒，可是當咱們在 10 ns/ 格進行操做時，其最大捕獲率僅爲 2,600 個波形 / 秒。下面是在相同測量條件下， Tektronix MSO3000 系列示波器的靜寂時間百分比：

在 5 秒鐘事後，經過 Tektronix 示波器咱們沒法觀察到偶發亞穩狀態。緣由是靜寂時間太長，從而致使捕獲毛刺的概率極低。假設信號中的問題信號發生機率較低，而且您願意等，那麼該示波器最終會捕獲到這個亞穩狀態。如下是使用 Tektronix DPO/ MSO3000 系列示波器時在 5 秒觀察時間後捕獲毛刺的概率。

4. 肯定示波器的真實波形捕獲率

影響示波器的波形捕獲率的因素有不少。示波器廠商每每只突出宣傳示波器的「優勢」或最佳狀況下的波形捕獲速率，而這一般只會在極爲有限的設置條件下才能達到。

示波器的時基設置一般是影響捕獲率的首要設置條件，這是由於時基設置決定了採集顯示的時間窗口。把示波器的時基設爲較長的時間 / 格設置時，示波器可對更長的波形進行數字轉換。例如，在 2 ms/ 格時，示波器的屏幕採集時間是 20 毫秒。若是示波器的靜寂時間爲零（理論上是不可能的），則絕對最佳條件下的波形捕獲率將是每秒 50 個波形（1/20 ms）。

若是您須要瞭解示波器的波形和解碼捕獲率，那麼必須在各類預計會用到的設置條件下進行測量，不要輕信廠商標榜的波形捕獲率參數。

測量示波器的捕獲率並不難，大多數示波器都提供了一個觸發輸出信號――一般用於使其餘儀器與示波器的觸發同步。您能夠經過外部計數器來測量這個輸出觸發信號的平均頻率，進而測量示波器的捕獲率。但要切記，用做示波器輸入觸發源的信號的潛在觸發速率必需要超過示波器的預計捕獲率。不然，較慢的觸發速率會限制示波器的捕獲率。

參考文獻

• 示波器波形捕獲率決定捕獲偶發事件的機率