示波器死區(qū)時間和波形捕獲率對測量的影響
什么是死區(qū)時間
要想了解死區(qū)時間的來源，需要先對數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個基本的了解。
被測信號通過輸入通道進入示波器，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)按照固定的時間間隔對信號進行采樣，并將各個信號振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值，稱為“樣本點”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能，例如樣本抽取，默認一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點（samples）存儲在采集存儲器中。存儲的樣點數(shù)目用戶可以通過記錄長度進行設(shè)置。
根據(jù)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(wù)包括算數(shù)功能（例如求平均值）、數(shù)學(xué)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（例如直方或模板測試）。其他后處理例如還包括協(xié)議解碼、抖動分析和矢量信號分析等等。
對于數(shù)字示波器而言，基本上對波形樣本執(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)。終結(jié)果隨后通過示波器的顯示屏呈現(xiàn)給用戶。
從1和2中可以看到R&S RTO系列示波器和傳統(tǒng)數(shù)字示波器的在信號處理過程上的區(qū)別，它使用了專門獨立開發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來實現(xiàn)波形樣本的后處理，如通道校準、樣本抽取、數(shù)字濾波、math、直方測量、模板測試以及FFT、自動測量、協(xié)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(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，傳統(tǒng)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(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(jié)束后，示波器才能夠捕獲下一個新波形。所以，數(shù)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(tài)，無法繼續(xù)監(jiān)測被測信號。從根本上來說，死區(qū)時間就是數(shù)字示波器對波形樣本后處理所需要的時間。
死區(qū)時間和捕獲周期及波形捕獲率關(guān)系
3顯示了一個波形捕獲周期的示意。捕獲周期由有效捕獲時間和死區(qū)時間周期組成。在有效捕獲時間內(nèi)，示波器按照用戶設(shè)定波形樣本數(shù)進行捕獲，并將其寫入采集存儲器中。捕獲的死區(qū)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(gòu)本身?？勺儠r間則取決于處理所需的時間，它與設(shè)定的捕獲樣本數(shù)（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(shù)學(xué)函數(shù)、測量和分析）多少都有直接關(guān)系。死區(qū)時間和捕獲周期之比死區(qū)時間比也是示波器的一個重要特性，捕獲周期的倒數(shù)就是波形捕獲率。
例如，如果有效捕獲時間是 100 ns（樣本數(shù)為1k，采樣率為10G），而死區(qū)時間是10 ms，那么整個捕獲周期所用的時間是10.0001 ms。由此得到的死區(qū)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(guī)測量模式下面的波形捕獲率都在幾百次的量級， R&S公司新的RTO系列示波器在同等條件下可以實現(xiàn)高1,000,000次的波形捕獲率，死區(qū)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的示波器在其高采樣率下，可以達到50,000次/秒的波形捕獲率，其死區(qū)時間比也高達99.5%以上。
死區(qū)時間和波形捕獲率對測量結(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，在進行功能驗證過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一運行沒多久就會出故障，但是通過示波器查看關(guān)鍵的時鐘和使能信號都 “沒有問題”，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(yōu)化?，F(xiàn)在已經(jīng)對示波器的死區(qū)時間已經(jīng)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(dǎo)致系統(tǒng)故障的偶發(fā)信號。
由于示波器死區(qū)時間的存在，導(dǎo)致示波器可能漏掉關(guān)鍵的異常信號，而給用戶顯示一個帶有欺騙性的結(jié)果，終誤導(dǎo)用戶的判斷，會大大延長調(diào)試時間，降低調(diào)試效率。
根據(jù)公式1，如果波形捕獲時間（即，樣本數(shù) * 分辨率，或 10 * 水平刻度）、波形捕獲率和信號事件發(fā)生速率（例如脈沖干擾的重復(fù)速率）均已確定，那么增加測量時間，會加大捕獲并顯示信號事件的概率：
P：捕獲偶發(fā)重復(fù)信號事件的概率 [單位是 %]
GlitchRate：信號故障頻率（例如，重復(fù)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(fā)信號所需時間：
假定某個信號帶一個有每秒重復(fù)10次的異常。該信號本身以數(shù)據(jù)形式顯示在示波器上，所采用的水平刻度為10 ns/div。如果所用顯示屏有10個水平格，則可以計算 100 ns 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(xiàn)在，所需的測試時間取決于示波器的波形捕獲率。下表統(tǒng)計了幾種不同的波形捕獲率所對應(yīng)的所需測試時間。
北京凡實測控代理普源代理商、泰克代理商、是德代理商、安捷倫代理商、固緯代理商、橫河代理商、泰克示波器、安捷倫示波器、示波器等品牌產(chǎn)品。公司業(yè)務(wù)涉及產(chǎn)品銷售、維修、租賃和系統(tǒng)集成，產(chǎn)品報價低，品質(zhì)保證，公司具有完善的售前售后服務(wù)和技術(shù)團隊。公司名稱：北京凡實測控技術(shù)有限公司
本文版權(quán)歸北京凡實測控技術(shù)有限公司所有，轉(zhuǎn)載請注明出處。
010-68456100
