示波器死區時間和波形捕獲率對測量結果的影響 - 全文

發展到今天，傳統的模擬示波器已經漸漸淡出了人們的視野，數字示波器幾乎已經取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調試的最常用的一種儀器設備了。你是否覺得示波器提供給了被測信號的所有信息呢？事實上，示波器在大部分時間都處在一個無法檢測信號的無信號狀態，通常把這段丟失信號的時間稱為死區時間。

什么是死區時間

要想了解死區時間的來源，需要先對數字示波器的結構有一個基本的了解。數字示波器的典型組成框圖如圖1、圖2所示。

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)
圖1：傳統數字示波器組成框圖。

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)
圖2：R&S公司RTO系列示波器組成框圖。

被測信號通過輸入通道進入示波器，并通過垂直系統中的衰減器和放大器加以調節。模數轉換器(ADC)按照固定的時間間隔對信號進行采樣，并將各個信號振幅轉換成離散的數字值，稱為“樣本點”。采集模塊隨后則執行處理功能，例如樣本抽取，默認一般都為采樣模式。輸出數據作為樣本點(samples)存儲在采集存儲器中。存儲的樣點數目用戶可以通過記錄長度進行設置。

根據用戶的需求，還可以對這些樣本點進一步后處理。后處理任務包括算數功能(例如求平均值)、數學運算(例如FIR濾波)、自動測量(例如上升時間或下降時間)以及分析功能(例如直方圖或模板測試)。其他后處理例如還包括協議解碼、抖動分析和矢量信號分析等等。

對于數字示波器而言，基本上對波形樣本執行的處理步驟沒有任何限制。這些后處理功能或者使用軟件通過該儀器的主處理程序執行，或者使用專用的ASIC或FPGA硬件執行，具體取決于示波器的結構。最終結果隨后通過示波器的顯示屏呈現給用戶。

從圖1和圖2中可以看到R&S RTO系列示波器和傳統數字示波器的在信號處理過程上的區別，它使用了專門獨立開發的ASIC芯片RTC和FPGA來實現波形樣本的后處理，如通道校準、樣本抽取、數字濾波、math、直方圖測量、模板測試以及FFT、自動測量、協議解碼等等，大大降低了主處理器的工作負荷，同時在RTO芯片中用數字觸發取代了模擬觸發電路，消除了模擬觸發電路帶來的觸發抖動，傳統的中高端示波器為了減小這部分抖動，需要大量的DSP后處理。硬件結構上的創新，極大的縮短了RTO示波器波形樣本后處理所耗費的時間。

示波器從信號采樣捕獲到波形樣本的處理顯示這一周期，稱為捕獲周期，在前一個捕獲周期結束后，示波器才能夠捕獲下一個新波形。所以，數字示波器將捕獲周期的大部分時間都用于對波形樣本的后處理上，在這一處理過程中，示波器就處于無信號狀態，無法繼續監測被測信號。從根本上來說，死區時間就是數字示波器對波形樣本后處理所需要的時間。

死區時間和捕獲周期及波形捕獲率關系

圖3顯示了一個波形捕獲周期的示意圖。捕獲周期由有效捕獲時間和死區時間周期組成。在有效捕獲時間內，示波器按照用戶設定波形樣本數進行捕獲，并將其寫入采集存儲器中。捕獲的死區時間包含固定時間和可變時間兩部分。固定時間具體取決于各個儀器的架構本身。可變時間則取決于處理所需的時間，它與設定的捕獲樣本數(記錄長度)、水平刻度、采樣率以及所選后處理功能(例如，插值、數學函數、測量和分析)多少都有直接關系。死區時間和捕獲周期之比死區時間比也是示波器的一個重要特性，捕獲周期的倒數就是波形捕獲率。

圖3：數字示波器的一個捕獲周期。

例如，如果有效捕獲時間是100ns(樣本數為1k，采樣率為10G)，而死區時間是10ms，那么整個捕獲周期所用的時間是10.0001ms。由此得到的死區時間比是99.999%，而波形捕獲率是每秒不到100個波形。目前市場上大部分示波器在常規測量模式下面的波形捕獲率都在幾百次的量級，R&S公司最新的RTO系列示波器在同等條件下可以實現最高1,000,000次的波形捕獲率，死區時間比可以降低到90%一下，遠遠要高出其他示波器。有些帶寬≤1G的示波器在其最高采樣率下，可以達到50,000次/秒的波形捕獲率，其死區時間比也高達99.5%以上。

死區時間和波形捕獲率對測量結果的影響

很多工程師在硬件調試過程中可能遇會到過這樣的情形：在調試的后期階段，電路板主要器件的焊接基本完成，在進行功能驗證過程中，發現系統一運行沒多久就會出故障，但是通過示波器查看關鍵的時鐘和使能信號都“沒有問題”，最終將故障原因定為在軟件原因，然后逐行檢查代碼，進行軟件優化。現在已經對示波器的死區時間已經有了清晰的認識，對于上面的情形還有一種可能就是示波器漏掉了導致系統故障的偶發信號，圖4可以很形象的說明這一問題：

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)
圖4：示波器死區時間導致丟失關鍵偶發信號。

由于示波器死區時間的存在，導致示波器可能漏掉關鍵的異常信號，而給用戶顯示一個帶有欺騙性的結果，最終誤導用戶的判斷，會大大延長調試時間，降低調試效率。

根據公式1，如果波形捕獲時間(即，樣本數×分辨率，或10×水平刻度)、波形捕獲率和信號事件發生速率(例如脈沖干擾的重復速率)均已確定，那么增加測量時間，會加大捕獲并顯示信號事件的概率：

公式 1：

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)
?

P：捕獲偶發重復信號事件的概率[單位是%]

GlitchRate：信號故障頻率(例如，重復脈沖干擾)[單位是1/s]

T：有效捕獲時間或波形顯示時間(記錄長度/采樣速率，或記錄長度×分辨率，或10×時間量程/格)[單位是s]

AcqRate：波形捕獲率[單位是wfms/s]

Tmeasure：測量時間[單位是s]

如果知道概率，對公式1進行變換，可以計算捕獲該偶發信號所需時間：

公式2：

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)

假定某個信號帶一個有每秒重復10次的異常。該信號本身以數據形式顯示在示波器上，所采用的水平刻度為10ns/div。如果所用顯示屏有10個水平格，則可以計算100ns的有效捕獲時間。為了確保捕獲所需信號事件的置信度較高，需要使用99.9%的概率。現在，所需的測試時間取決于示波器的波形捕獲率。下表統計了幾種不同的波形捕獲率所對應的所需測試時間。

示波器死區時間和波形捕獲率對測量的影響(電子工程專輯)
表1：在概率為99.9%(T=100ns，GlitchRate=10/s)的條件下，捕獲重復異常信號所需時間。