示波器基本原理之四：波形捕获率

[整理自Keysight官网资料]

波形更新率能够说是极为重要的 — 有时与带宽和存储深度同样重要。全部的示波器都有一个内在特性，称为“死区时间”。这是示波器进行每一次重复采集之间的时间，此时其正在处理先前采集的波形。遗憾的是，示波器的死区时间有时会比采集时间更长。在示波器的死区时间期间，任何出现的信号将会丢失，这会使随机采集和示波器的罕见毛刺成为一种赌博。

1. 了解示波器静寂时间

在您调试新设计时，波形和解码捕获率极为重要，尤为是当您尝试找出并调试偶发或间歇发生的异常时，这是最难解决的问题。更快的波形和解码捕获率可提升示波器捕获偶发事件的概率。要知道这是为何，首先您必须了解什么是示波器的“静寂时间”（有时也称为“死区时间”）。全部示波器都有“静寂时间”，如图 1 所示。“静寂时间”是指示波器两次采集之间（即示波器处理上一个捕获波形，而后将其显示在示波器显示屏上）的时间。在此处理过程当中或静寂时间内，示波器“无视” 您正在调试的设计中出现的任何信号活动。

请注意图 1 中突出显示的毛刺发生在示波器的静寂时间内。在两次示波器采集周期以后，这些毛刺不会在示波器屏幕上显示。当您知道设备的捕获速率时，可轻松计算示波器的静寂时间百分比。示波器的静寂时间百分比等于示波器采集周期减去屏幕上捕获时间得出的值和示波器采集周期的比率。示波器的采集周期是示波器波形捕获率的倒数，必须根据所用的特定设置条件进行测量。

然而，示波器的静寂时间要比屏幕上捕获时间长了几个数量级，即使是拥有极高捕获率的示波器也是如此。这是多数示波器厂商竭力回避的一个事实。也就是说，经过示波器来采集偶发事件和复杂疑难事件，纯粹是以几个不一样的设置参数为基础的概率游戏。事实上，示波器捕获偶发事件的概率和掷色子时猜中哪一面向上的概率算法相似。首先咱们来看一下掷色子的概率，其次再讨论它与示波器捕获概率之间的关联。

2. 掷色子的启示

当您一次掷一个色子（六面）时，某一面向上的概率是 1/6，很是好算！那么掷两次色子时，至少一次某一面向上的概率是多少呢？若是不认真思考，有人可能会直观地认为概率是 2/6 或 33.3%。假设这种推断正确，那么掷 10 次色子时至少一次某一面向上的概率岂不是大于 100% ？这显然是不可能的。“S”面的色子掷“N”次时，至少一次某一面向上概率（PN）的百分比为：

为了便于理解，实际上先考虑计算某一面不向上的概率做为相反的结果要比直接计算某一面向上的概率更简单。掷色子时某一面不向上的概率是“(S-1)/S”。所以一个六面的色子某一面不向上的概率是 5/6。掷色子的次数（N）越多，这一面一直不向上的概率就成指数降低。也就是说，至少出现一次这一面向上的概率逐步增长，但毫不会达到或超过 100%。

对于示波器捕获率来讲，“S”是异常事件的平均出现时间与示波器显示窗口时间的比率。例如，若是一个毛刺每 10 ms（每秒 100 次）出现一次，而示波器时基设置为 20 ns/ 格，则屏幕上捕获时间为 200ns，那么 S = 10 ms/200 ns 既 50000。

在本例中，便是一个 50000 个面的色子，您能够借助图 2 中的色子想象一下，出现异常波形的那一面向上的概率。所以仅一次采集就可捕获毛刺的概率是 1/50000，而没法捕获毛刺的概率是 49999/50000。

为了在固定时间段内提升捕获偶发毛刺的概率，示波器必须屡次捕获信号，并且越快越好。这就是方程中要加入的示波器波形捕获率因数。“N”是指示波器的捕获数量，等于示波器波形捕获率乘以适当的观察时间。观察时间是指观察示波器屏幕上的波形的时间，以肯定将探头移到另外一个测试点以前状态是否正常。对于示波器来讲，异常事件捕获概率方程可简化为：

3. 毛刺捕获比较

使用上述概率方程和静寂时间方程式，能够对两个具备类似性能特征和价位的 500-MHz 带宽示波器进行测量比较。

在进行比较测量时，使用真实电路来生成一个随机亚稳状态（偶发毛刺），平均每秒生成大约 5 次。分别启用每一个示波器的默认设置（Default Setup）。因为咱们须要观察的毛刺长度为 5 至 15 ns 的跨度，所以针对这个特定测量，咱们将时基设置为最佳的 10 ns/ 格。为了能让每一个示波器实现最高捕获率，我也没有开启其余的特殊功能，好比测量、波形运算、串行总线分析，或数字通道采集等。每一个示波器开启 5 秒钟的余辉，但这不会影响它的最佳波形捕获率。使用示波器的默认上升边沿触发条件，触发电平设为 +1.40 V；在采集过程当中出现的亚稳状态能够在屏幕中央看到。为了肯定示波器捕获毛刺的概率，在计算中假定 5 秒是合适的观察时间。

从图 3 中能够看到 Keysight 3000 X 系列示波器以 1,000,000 个波形 / 秒的波形捕获率可以在 5 秒钟内可靠地捕获屡次随机和偶发亚稳状态。

经过如下计算方程能够算出 Keysight 3000 X 系列示波器的静寂时间百分比：

当时基设置为 10 ns/ 格时，尽管示波器的静寂时间百分比约为 90%，可能感受会显得过长，但在 5 秒内捕获毛刺的概率实际上很是高，经过如下概率计算方程得出：

使用 Tektronix DPO/MSO3000 系列信号示波器，测量结果有很大差别，如图 4 所示。

尽管该示波器所宣称的波形捕获率高达 55,000 个波形 / 秒，可是当咱们在 10 ns/ 格进行操做时，其最大捕获率仅为 2,600 个波形 / 秒。下面是在相同测量条件下， Tektronix MSO3000 系列示波器的静寂时间百分比：

在 5 秒钟事后，经过 Tektronix 示波器咱们没法观察到偶发亚稳状态。缘由是静寂时间太长，从而致使捕获毛刺的概率极低。假设信号中的问题信号发生几率较低，而且您愿意等，那么该示波器最终会捕获到这个亚稳状态。如下是使用 Tektronix DPO/ MSO3000 系列示波器时在 5 秒观察时间后捕获毛刺的概率。

4. 肯定示波器的真实波形捕获率

影响示波器的波形捕获率的因素有不少。示波器厂商每每只突出宣传示波器的“优势”或最佳状况下的波形捕获速率，而这一般只会在极为有限的设置条件下才能达到。

示波器的时基设置一般是影响捕获率的首要设置条件，这是由于时基设置决定了采集显示的时间窗口。把示波器的时基设为较长的时间 / 格设置时，示波器可对更长的波形进行数字转换。例如，在 2 ms/ 格时，示波器的屏幕采集时间是 20 毫秒。若是示波器的静寂时间为零（理论上是不可能的），则绝对最佳条件下的波形捕获率将是每秒 50 个波形（1/20 ms）。

若是您须要了解示波器的波形和解码捕获率，那么必须在各类预计会用到的设置条件下进行测量，不要轻信厂商标榜的波形捕获率参数。

测量示波器的捕获率并不难，大多数示波器都提供了一个触发输出信号――一般用于使其余仪器与示波器的触发同步。您能够经过外部计数器来测量这个输出触发信号的平均频率，进而测量示波器的捕获率。但要切记，用做示波器输入触发源的信号的潜在触发速率必需要超过示波器的预计捕获率。不然，较慢的触发速率会限制示波器的捕获率。

参考文献

• 示波器波形捕获率决定捕获偶发事件的几率