示波器死区时间和波形捕获率对测量影响

发展到今天，传统的模拟示波器已经渐渐淡出了人们的视野，数字示波器几乎已经取代模拟 示波器成为硬件工程师手中电路调试的最常用的一种仪器设备了。你是否觉得示波器提供给了被测信号的所有信息呢？事实上，示波器在大部分时间都处在一个无法 检测信号的无信号状态，通常把这段丢失信号的时间称为死区时间。  

　　什么是死区时间  

　　要想了解死区时间的来源，需要先对数字示波器的结构有一个基本的了解。数字示波器的典型组成框图。  

　　被测信号通过输入通道进入示波器，并通过垂直系统中的衰减器和放大器加以调节。模数转换器(ADC)按照固定的时间间隔对信号进行采样，并将各个信号振幅转换成离散的数字值，称为“样本点”。采集模块随后则执行处理功能，例如样本抽取，默认一般都为采样模式。输出数据作为样本点（samples）存储在采集存储器中。存储的样点数目用户可以通过记录长度进行设置。  

　　根据用户的需求，还可以对这些样本点进一步后处理。后处理任务包括算数功能（例如求平均值）、数学运算（例如FIR 滤波）、自动测量（例如上 升时间或下降时间）以及分析功能（例如直方图或模板测试）。其他后处理例如还包括协议解码、抖动分析和矢量信号分析等等。  

　　对于数字示波器而言，基本上对波形样本执行的处理步骤没有任何限制。这些后处理功能或者使用软件通过该仪器的主处理程序执行，或者使用专用的ASIC或FPGA硬件执行，具体取决于示波器的结构。最终结果随后通过示波器的显示屏呈现给用户。  

　　R$S RTO系列示波器和传统数字示波器的在信号处理过程上的区别，它使用了专门独立开发的ASIC芯片RTC和FPGA来实现波形样本的后 处理，如通道校准、样本抽取、数字滤波、math、直方图测量、模板测试以及FFT、自动测量、协议解码等等，大大降低了主处理器的工作负荷，同时在 RTO芯片中用数字触发取代了模拟触发电路，消除了模拟触发电路带来的触发抖动，传统的中高示波器为了减小这部分抖动，需要大量的DSP后处理。硬件结构 上的创新，极大的缩短了RTO示波器波形样本后处理所耗费的时间。  

　　示波器从信号采样捕获到波形样本的处理显示这一周期，称为捕获周期，在前一个捕获周期结束后，示波器才能够捕获下一个新波形。所以，数字示波器 将捕获周期的大部分时间都用于对波形样本的后处理上，在这一处理过程中，示波器就处于无信号状态，无法继续监测被测信号。从根本上来说，死区时间就是数字 示波器对波形样本后处理所需要的时间。  

　　死区时间和捕获周期及波形捕获率关系  

　　捕获周期由有效捕获时间和死区时间周期组成。在有效捕获时间内，示波器按照用户设定波形样本数进行捕获，并 将其写入采集存储器中。捕获的死区时间包含固定时间和可变时间两部分。固定时间具体取决于各个仪器的架构本身。可变时间则取决于处理所需的时间，它与设定 的捕获样本数（记录长度）、水平刻度、采样率以及所选后处理功能（例如，插值、数学函数、测量和分析）多少都有直接关系。死区时间和捕获周期之比死区时间 比也是示波器的一个重要特性，捕获周期的倒数就是波形捕获率。  

　　例如，如果有效捕获时间是 100 ns（样本数为1k，采样率为10G），而死区时间是10 ms，那么整个捕获周期所用的时间是 10.0001 ms。由此得到的死区时间比是99.999%，而波形捕获率是每秒不到100个波形。目前市场上大部分示波器在常规测量模式下面的波形捕 获率都在几百次的量级， R&S公司最新的RTO系列示波器在同等条件下可以实现最高1,000,000次的波形捕获率，死区时间比可以降低到 90%一下，远远要高出其他示波器。有些带宽≤1G的示波器在其最高采样率下，可以达到50,000次/秒的波形捕获率，其死区时间比也高达99.5%以 上。  

　　死区时间和波形捕获率对测量结果的影响  

　　很多工程师在硬件调试过程中可能遇会到过这样的情形：在调试的后期阶段，电路板主 要器件的焊接基本完成，在进行功能验证过程中，发现系统一运行没多久就会出故障，但是通过示波器查看关键的时钟和使能信号都 “没有问题”，最终将故障原 因定为在软件原因，然后逐行检查代码，进行软件优化。现在已经对示波器的死区时间已经有了清晰的认识，对于上面的情形还有一种可能就是示波器漏掉了导致系 统故障的偶发信号，图4可以很形象的说明这一问题：  

　　由于示波器死区时间的存在，导致示波器可能漏掉关键的异常信号，而给用户显示一个带有欺骗性的结果，最终误导用户的判断，会大大延长调试时间，降低调试效率。  

　　根据公式1，如果波形捕获时间（即，样本数 * 分辨率，或 10 * 水平刻度）、波形捕获率和信号事件发生速率（例如脉冲干扰的重复速率）均已确定，那么增加测量时间，会加大捕获并显示信号事件的概率：  
　　公式 1：  
　　P：捕获偶发重复信号事件的概率 [单位是 %]  
　　GlitchRate：信号故障频率（例如，重复脉冲干扰）[单位是 1/s]  
　　T：有效捕获时间或波形显示时间（记录长度/采样速率，或记录长度 * 分辨率，或 10 * 时间量程/格）[单位是 s]  
　　AcqRate：波形捕获率 [单位是 wfms / s]  
　　Tmeasure：测量时间 [单位是 s]  
　　如果知道概率，对公式1进行变换，可以计算捕获该偶发信号所需时间：  
　　公式 2：  
　 　假定某个信号带一个有每秒重复10次的异常。该信号本身以数据形式显示在示波器上，所采用的水平刻度为10 ns/div。如果所用显示屏有10个水平 格，则可以计算 100 ns 的有效捕获时间。为了确保捕获所需信号事件的置信度较高，需要使用 99.9% 的概率。现在，所需的测试时间取决于示波 器的波形捕获率。下表统计了几种不同的波形捕获率所对应的所需测试时间。  

　　表1：在概率为 99.9%（T=100 ns，GlitchRate=10/s）的条件下，捕获重复异常信号所需时间。虽然R&S的 RTO系列示波器在该条件下的时期时间比还有接近90%左右，但是其发现偶发异常信号能力确是成数量级的上升，可以帮助工程师极大的提高调试效率。试问： 有几位工程师在检查每一个信号时可以在示波器上看超过7秒钟时间的呢？  

　　前面也提到，波形捕获率和水平刻度、记录长度、采样率的设置都有关系，在实际测量中，如何根据实际的被测信号在这些参数设置中找到一个平衡点， 以最高的捕获概率查看波形，提高调试效率，这是工程师在数字示波器使用过程中需要考虑的问题，这一部分会在以后文章中专门讨论。