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數(shù)字示波器死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率影響測(cè)量結(jié)果
2015-04-06
數(shù)字示波器死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率影響測(cè)量結(jié)果
發(fā)展到今天，傳統(tǒng)的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野，數(shù)字示波器幾乎已經(jīng)取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調(diào)試的最常用的一種儀器設(shè)備了。你是否覺得示波器提供給了被測(cè)信號(hào)的所有信息呢？事實(shí)上，示波器在大部分時(shí)間都處在一個(gè)無法檢測(cè)信號(hào)的無信號(hào)狀態(tài)，通常把這段丟失信號(hào)的時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。
什么是死區(qū)時(shí)間
被測(cè)信號(hào)通過輸入通道進(jìn)入示波器，并通過垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)按照固定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將各個(gè)信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，稱為“樣本點(diǎn)”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能，例如樣本抽取，默認(rèn)一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點(diǎn)(samples)存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)目用戶可以通過記錄長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置。
根據(jù)用戶的需求，還可以對(duì)這些樣本點(diǎn)進(jìn)一步后處理。后處理任務(wù)包括算數(shù)功能(例如求平均值)、數(shù)學(xué)運(yùn)算(例如FIR濾波)、自動(dòng)測(cè)量(例如上升時(shí)間或下降時(shí)間)以及分析功能(例如直方圖或模板測(cè)試)。其他后處理例如還包括協(xié)議解碼、抖動(dòng)分析和矢量信號(hào)分析等等。
對(duì)于數(shù)字示波器而言，基本上對(duì)波形樣本執(zhí)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(zhí)行，或者使用專用的ASIC或FPGA硬件執(zhí)行，具體取決于示波器的結(jié)構(gòu)。最終結(jié)果隨后通過示波器的顯示屏呈現(xiàn)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(tǒng)數(shù)字示波器的在信號(hào)處理過程上的區(qū)別，它使用了專門獨(dú)立開發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來實(shí)現(xiàn)波形樣本的后處理，如通道校準(zhǔn)、樣本抽取、數(shù)字濾波、math、直方圖測(cè)量、模板測(cè)試以及FFT、自動(dòng)測(cè)量、協(xié)議解碼等等，大大降低了主處理器的工作負(fù)荷，同時(shí)在RTO芯片中用數(shù)字觸發(fā)取代了模擬觸發(fā)電路，消除了模擬觸發(fā)電路帶來的觸發(fā)抖動(dòng)，傳統(tǒng)的中高端示波器為了減小這部分抖動(dòng)，需要大量的DSP后處理。硬件結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，極大的縮短了RTO示波器波形樣本后處理所耗費(fèi)的時(shí)間。
示波器從信號(hào)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(gè)捕獲周期結(jié)束后，示波器才能夠捕獲下一個(gè)新波形。所以，數(shù)字示波器將捕獲周期的大部分時(shí)間都用于對(duì)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(hào)狀態(tài)，無法繼續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)信號(hào)。從根本上來說，死區(qū)時(shí)間就是數(shù)字示波器對(duì)波形樣本后處理所需要的時(shí)間。
死區(qū)時(shí)間和捕獲周期及波形捕獲率關(guān)系
顯示了一個(gè)波形捕獲周期的示意圖。捕獲周期由有效捕獲時(shí)間和死區(qū)時(shí)間周期組成。在有效捕獲時(shí)間內(nèi)，示波器按照用戶設(shè)定波形樣本數(shù)進(jìn)行捕獲，并將其寫入采集存儲(chǔ)器中。捕獲的死區(qū)時(shí)間包含固定時(shí)間和可變時(shí)間兩部分。固定時(shí)間具體取決于各個(gè)儀器的架構(gòu)本身。可變時(shí)間則取決于處理所需的時(shí)間，它與設(shè)定的捕獲樣本數(shù)(記錄長(zhǎng)度)、水平刻度、采樣率以及所選后處理功能(例如，插值、數(shù)學(xué)函數(shù)、測(cè)量和分析)多少都有直接關(guān)系。死區(qū)時(shí)間和捕獲周期之比死區(qū)時(shí)間比也是示波器的一個(gè)重要特性，捕獲周期的倒數(shù)就是波形捕獲率。
例如，如果有效捕獲時(shí)間是100ns(樣本數(shù)為1k，采樣率為10G)，而死區(qū)時(shí)間是10ms，那么整個(gè)捕獲周期所用的時(shí)間是10.0001ms。由此得到的死區(qū)時(shí)間比是99.999%，而波形捕獲率是每秒不到100個(gè)波形。目前市場(chǎng)上大部分示波器在常規(guī)測(cè)量模式下面的波形捕獲率都在幾百次的量級(jí)，R&S公司最新的RTO系列示波器在同等條件下可以實(shí)現(xiàn)最高1,000,000次的波形捕獲率，死區(qū)時(shí)間比可以降低到90%一下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到50,000次/秒的波形捕獲率，其死區(qū)時(shí)間比也高達(dá)99.5%以上。
死區(qū)時(shí)間和波形捕獲率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
很多工程師在硬件調(diào)試過程中可能遇會(huì)到過這樣的情形：在調(diào)試的后期階段，電路板主要器件的焊接基本完成，在進(jìn)行功能驗(yàn)證過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一運(yùn)行沒多久就會(huì)出故障，但是通過示波器查看關(guān)鍵的時(shí)鐘和使能信號(hào)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(jìn)行軟件優(yōu)化。現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)示波器的死區(qū)時(shí)間已經(jīng)有了清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)于上面的情形還有一種可能就是示波器漏掉了導(dǎo)致系統(tǒng)故障的偶發(fā)信號(hào)，圖4可以很形象的說明這一問題：
由于示波器死區(qū)時(shí)間的存在，導(dǎo)致示波器可能漏掉關(guān)鍵的異常信號(hào)，而給用戶顯示一個(gè)帶有欺騙性的結(jié)果，最終誤導(dǎo)用戶的判斷，會(huì)大大延長(zhǎng)調(diào)試時(shí)間，降低調(diào)試效率。
根據(jù)公式1，如果波形捕獲時(shí)間(即，樣本數(shù)×分辨率，或10×水平刻度)、波形捕獲率和信號(hào)事件發(fā)生速率(例如脈沖干擾的重復(fù)速率)均已確定，那么增加測(cè)量時(shí)間，會(huì)加大捕獲并顯示信號(hào)事件的概率：
P：捕獲偶發(fā)重復(fù)信號(hào)事件的概率[單位是%]
GlitchRate：信號(hào)故障頻率(例如，重復(fù)脈沖干擾)[單位是1/s]
T：有效捕獲時(shí)間或波形顯示時(shí)間(記錄長(zhǎng)度/采樣速率，或記錄長(zhǎng)度×分辨率，或10×時(shí)間量程/格)[單位是s]
AcqRate：波形捕獲率[單位是wfms/s]
Tmeasure：測(cè)量時(shí)間[單位是s]
示波器產(chǎn)品鏈接：http://rengken.cn/product/oscilloscope/
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