計(jì)算一下你示波器的工作效率

在工程師的生活中，恐懼莫過于遇到未知的問題。任何問題或折衷，如果得到充分的管理的話，工程師利用所掌握的技巧就可能使之得到緩解。問題是工程師看不見未知的問題，如間歇出現(xiàn)的信號(hào)異常，當(dāng)這些問題傳播到品質(zhì)測(cè)試、制造或到客戶那里時(shí)，代價(jià)就更為巨大。快速更新率—一個(gè)往往被誤解的特性—是顯示這些問題的示波器的一個(gè)關(guān)鍵性能。

把更新率作為“廣告說明”的一個(gè)案例

目前，廣告說明詞(示波器供應(yīng)商通常用在他們廣告的頂部)包括帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度和價(jià)格。然而，更新率同等重要，這是因?yàn)樗允静ㄆ鞑东@間歇和重復(fù)事件的能力為特征。示波器采集多少數(shù)據(jù)—或者采集數(shù)據(jù)的速度有多快—無關(guān)緊要，如果它花更多的時(shí)間在顯示數(shù)據(jù)上，而不是獲得采集上的話；而且，如果示波器的觸發(fā)電路要經(jīng)過緩慢的準(zhǔn)備才能進(jìn)行下一次采集的話，該顯示系統(tǒng)的速度也不要緊。

更新率是重要的，因?yàn)樗苡绊懻{(diào)試方法。以上面提到的短脈沖干擾為例，如果工程師知道存在這些短脈沖干擾，就很容易利用脈寬觸發(fā)把它隔離開。然而，這指的是被認(rèn)為不會(huì)造成大問題的短脈沖干擾。當(dāng)用戶拿到一塊新的電路板時(shí)，大部分用戶會(huì)逐個(gè)引腳地“粗略檢查”一遍。具有快速更新率的示波器增加了在臨時(shí)檢查期間找到小問題的機(jī)率，從而增加用戶對(duì)電路板的信心。如果你對(duì)示波器的顯示性能沒有信心，用戶將必須采用觸發(fā)系統(tǒng)來搜尋在各個(gè)引腳上的每一個(gè)潛在的問題。

快速更新率的另一個(gè)有用的應(yīng)用是生產(chǎn)測(cè)試。許多測(cè)試需要在同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行多次采集以提高測(cè)量的可信度。采樣點(diǎn)數(shù)越多，極限特性就越好。掩模測(cè)試就是一個(gè)很好的例子。較慢的更新率會(huì)迫使在更低的測(cè)試吞吐量和更低的測(cè)量可信度之間進(jìn)行折衷。

盡管通常的LCD或CRT恰好以60Hz進(jìn)行刷新，人們?nèi)阅軓臄?shù)量級(jí)為每秒鐘成百上千個(gè)波形的更新率中獲益。所有的數(shù)據(jù)能夠被顯示出來，但是，采用“視覺后滯”算法可以把各個(gè)采集點(diǎn)覆蓋起來，因?yàn)檫@種算法采用顏色或密度等級(jí)以顯示所出現(xiàn)的頻率。它就像從上面看這個(gè)線跡的柱狀圖。

特征化更新率

更新率是一個(gè)動(dòng)態(tài)的特性。它與重復(fù)采集有關(guān)，而與“單次采集”測(cè)量無關(guān)。并且，它會(huì)隨著示波器的時(shí)基設(shè)置、操作模式及其架構(gòu)而有所變化。

更新率會(huì)受到兩次采集之間的“死區(qū)時(shí)間”的限制。在“死區(qū)時(shí)間”(圖1)期間出現(xiàn)的任何事件，示波器都是觀測(cè)不到的。死區(qū)時(shí)間的來源有幾個(gè)。最重要的是它從采集存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示所花的時(shí)間。



圖1．“在兩次采集之間的死區(qū)時(shí)間期間”出現(xiàn)的事件可能會(huì)觀測(cè)不到。

在基本水平線上，一些示波器在采集和顯示之間完全具有比另外一些示波器更快的數(shù)據(jù)連接。架構(gòu)也是要緊的。一些設(shè)計(jì)在重新填滿它之前，要把所有送到顯示器的數(shù)據(jù)清空；另一個(gè)方法是把來自不同采集存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)“打”到顯示器上；第三種辦法是讓數(shù)據(jù)排隊(duì)等待進(jìn)入顯示器。其它的因素包括所處理的存儲(chǔ)器的大小和在觸發(fā)系統(tǒng)中固有的延遲。

很多示波器具備能加速更新率的特殊模式。它們通過減少存儲(chǔ)深度或旁路大多數(shù)觸發(fā)電路來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。作為一個(gè)規(guī)則，這些特殊的模式需要對(duì)性能進(jìn)行折衷(如采樣率的減少或不能執(zhí)行甚至是簡(jiǎn)單的觸發(fā))，并且要小心使用。

如果示波器具有一個(gè)外部觸發(fā)并且提供一種頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量功能，如Agilent DSO5054A，就可以執(zhí)行的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。采用50Ω BNC電纜能把外部觸發(fā)連接到示波器的通道 1。把示波器設(shè)置為自動(dòng)觸發(fā)，頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量將會(huì)計(jì)算每秒的觸發(fā)數(shù)，這與最大的更新率十分接近。如果示波器不提供外部觸發(fā)，用戶就可以替換一個(gè)高頻源作為輸入。

占空周期

如果把更新率和死區(qū)時(shí)間的概念放在占空周期的環(huán)境中，就更容易把這兩個(gè)概念形象化。對(duì)于一臺(tái)示波器而言，占空周期是示波器正在采集數(shù)據(jù)的時(shí)間百分比。在采集數(shù)據(jù)上花的時(shí)間越多，發(fā)現(xiàn)間歇事件的機(jī)率越多。

如果示波器的更新率是已知的，就很容易計(jì)算這一更新率。讓我們從更傳統(tǒng)的占空周期的定義開始:



由于示波器是一種顯示已知時(shí)間周期的時(shí)域儀器，我們能簡(jiǎn)化該計(jì)算。



例如，示波器被設(shè)定為2μs/格，并且具有4 GSample/s的采樣率。所測(cè)得的更新率是每秒19,300個(gè)波形。



因此，在這個(gè)設(shè)置下，示波器采集數(shù)據(jù)占38.6%的時(shí)間。

針對(duì)你的調(diào)試方法的提示

圖2所示為占空周期隨著不同示波器的不同t/div設(shè)置而變化的情況。你要注意到兩種趨勢(shì)：



圖2：現(xiàn)實(shí)世界中示波器模式的負(fù)載循環(huán)曲線。

1．在不同示波器之間，占空周期會(huì)有多達(dá)2.5個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。如果你有一個(gè)10MHz微處理器，在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入操作的過程中，每100萬個(gè)周期會(huì)出現(xiàn)一次失敗，30%占空周期的示波器將會(huì)以每秒三次來顯示該錯(cuò)誤；0.3%占空周期的示波器每33秒會(huì)顯示它一次。提示：如果這一示波器有較慢的更新率，用戶應(yīng)當(dāng)依賴于觸發(fā)來找到這些間歇問題。臨時(shí)的觀察是不充分的。

2. 占空周期會(huì)隨著時(shí)基(掃描)的放慢而增加。在每次采集中，數(shù)據(jù)數(shù)量的增加要比更新率減少的速度要更快。隨著示波器進(jìn)入“滾動(dòng)(顯示)模式”， 占空周期就會(huì)變?yōu)?00%有效。提示: 降低掃描速度可以提高你利用所有型號(hào)示波器觀察間歇性異常的能力。

這些技術(shù)假設(shè)存在罕有的或不經(jīng)常發(fā)生的事件。如果要尋找“一次”性事件，硬件觸發(fā)仍然是最佳的選擇。然而，對(duì)于基本的系統(tǒng)特性描述和調(diào)試來說，快速的更新率允許更為深入地探究系統(tǒng)內(nèi)部的行為。


圖3

雖然本文重點(diǎn)討論的是更新率，但是，正是更新率、采樣率和存儲(chǔ)深度之間的相互影響，確定了示波器的有效性和用戶對(duì)其測(cè)量結(jié)果的信任程度(如圖3所示)。在選擇示波器時(shí)，用戶要記住這三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，以及如何使之適應(yīng)待完成的測(cè)量任務(wù)。

關(guān)于作者

Phil Stearns是安捷倫公司電子測(cè)量組數(shù)字驗(yàn)證分部負(fù)責(zé)評(píng)估示波器的產(chǎn)品經(jīng)理。

Phil擁有辛辛那提大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的MBA學(xué)位。Phil于1996年入職于惠普/安捷倫，并在推廣示波器和邏輯分析儀方面擔(dān)任過各種職位。Phil也曾在安捷倫的研發(fā)、營(yíng)銷和顧問等職位工作過。

Phil目前是位于科羅拉多斯普林斯設(shè)計(jì)驗(yàn)證分部負(fù)責(zé)評(píng)估示波器產(chǎn)品線的產(chǎn)品經(jīng)理。