关注深存储示波器刷新率指标，准确捕捉偶发随机事件

在决定购买新数字存储示波器(DSO)时，一般人们关注的指标包括带宽、采样率、存储深度和通道数，然而有一项性能却常常被忽略掉，这就是示波器的显示/数字刷新率。本文将讨论刷新率对数字示波器使用的影响，并介绍选择刷新率时应注意的问题。

        刷新率之所以需要着重考虑有两个理由，第一，示波器的数字刷新率对仪器的可用性影响很大；第二，采集/波形刷新率会影响捕获偶发异常事件和毛刺的统计概率。

刷新率对示波器可用性的影响

        数字存储示波器于上世纪80年代首次投放市场，与模拟示波器相比其最大的缺点是响应性能不好。当时常见的数字示波器采集刷新率只有每秒一两个波形，存储器的深度也只有1,000个点。响应性不好使这种示波器用起来非常困难，工程师和技术人员用示波器对电子系统进行调试时，常常是将示波器用作一个“浏览”工具，一边观察示波器显示屏上的波形，一边很快地变换设置状态，如每刻度的电压值、时基等等，如果设置变换时显示屏上的刷新变化很慢，则不仅令人感到心烦而且还会拖慢整个调试的过程。

        随着数字示波技术的发展，大多数示波器厂商都以不到10万个点的存储深度解决了示波器响应性问题。凭经验来看，如果示波器对一个新的采集能够达到至少每秒 20次显示刷新率，那么其响应速度就可以令人感到满意了。应该承认，这个指标比起一般模拟示波器每秒几十万次的扫描速率来还是低得多，但对人的眼和手来说，每秒20次数字刷新率足以使数字存储示波器具有“动态”的感觉。

        不幸的是，随着对更深存储能力(>1MB)数字存储示波器需求的增大，很多示波器由于数字波形记录的处理时间问题使得响应性能仍然很差。为此许多深存储示波器的缺省工作方式是采用浅存储方式(一般少于5万个点)，在浅存储方式下，示波器响应足够灵敏，如果在特定场合用户需要深度存储，他们可以到时候选择较深的存储方式，但必须对示波器未能响应的部分做出处理。有些存储深度极大的示波器每次屏幕刷新长达8到10秒，很多用户对此是不能接受的。

        为了解决深存储条件下的刷新速率问题，有些示波器厂商采用一种特殊的快速采集运行方式。在这种方式下，示波器能够每秒捕获多达几十万个波形记录。问题解决了吗？也是也不是。快速采集确实解决了刷新率问题，使示波器可用性大为提高，然而如上所述，快速采集是一种特殊的运行方式，它在其它地方做了一些比较大的折衷。在这种工作方式下，最大采样率和存储深度都限定在示波器最大指标值以内，此外，对长波形的放大、自动测量和数学计算等功能也都在禁用之列，所以这只是一种特殊运行方式。

        安捷伦科技的示波器采用MegaZoom技术来解决深存储的响应性问题。使用MegaZoom深存储器，即使处理很深的波形记录，数字刷新率也可以超过每秒几万个波形。MegaZoom绝非特殊示波器运行方式，而是标准运行方式，用户可以充分访问存储记录，并使用示波器的放大功能。在最大采集刷新率下，示波器的响应性使人更真切地得到“动态”的感觉。

        虽然快速采集方式每秒捕获几十万个波形仍然优于MegaZoom的每秒几万个波形，但考虑到可用性问题哪一个更好则并不一定。所有数字存储示波器所用的光栅扫描阴极射线管，其显示刷新速率都在30到60Hz之间，增加波形捕获速率使之超过示波器的显示刷新速率并不能改进示波器可用性。制约示波器可用性的因素很多，显示刷新只是其中之一。快速采集限制了很多功能(包括放大能力、测量和波形数学计算)的使用，这些也都是考虑可用性的其它因素。归根结底，评价示波器可用性的唯一方法是亲自去试一试。

刷新率对捕获偶发异常事件的影响  

        在捕获偶发事件时，数字刷新率对捕获异常现象和瞬态干扰的可能性具有极大影响。用户凭直觉可能认为，采用快速采集技术的数字存储示波器每秒能够完成几十万次波形刷新，而采用MegaZoom技术的数字存储示波器每秒只能捕获几万个波形，前者一定优于后者，然而事情并非如此简单。首先，影响示波器数字刷新率的因素有很多，而且宣称每秒几十万个波形的指标很可能只适用于很窄的条件范围内。例如示波器每秒识别几十万个波形的快速采集功能只适用于最快扫描速度档 (每刻度40ns或者更快)，而且不能突破采样率(最大每秒1.25G个采样)和存储深度(最大1MB)的限制。此外，数字刷新率的一个关键是输入信号触发率，如果输入信号触发率低于示波器最大数字刷新率，则后者将受到前者的制约。

 

        为便于讨论，暂且假设输入触发率不会限制数字刷新率，那么每秒最大波形数指标是否能够很好地反映示波器捕获偶发事件的能力呢？如果所有的条件都恰好合适，可能是这样的。每秒数字化波形数很好地反映了示波器的空闲时间特性，空闲时间是指两次信号采集之间的时间段，在此期间内示波器处理数字化信息并准备重新启动下一次采集过程(图1)。

        缩短空闲时间可以提高空闲时间内可能发生事件的捕获概率，但如果缩小空闲时间是以牺牲采集时间内的数字化性能为代价，那么与空闲时间较长的示波器相比其捕获偶发事件的总体概率可能会更低。在具有快速采集功能的示波器上采取降低采样率和存储深度的方式确实能改善空闲时间特性，但却会降低采集时间内捕获窄脉冲的概率。而偶发事件是完全随机的，它可能在任何时间发生。

        大多数情况下，衡量指标比较好的方法是指定一个较长时间段内数字化点数(如每秒数字化点数)。在讨论为什么这是比较好的方法之前，应该提醒大家每秒数字化点数与采样率是不同的，采样率总是以每秒采样数来计算，它表明的仅仅是采集时间内的数字化速率，在示波器空闲时间内，采样率永远为0。指定一秒(或更长时间)数字化总点数表示了较长时间段内采集的点数，其中既包含采集时间也包含空闲时间数字化点数，其实也可将其想象为较长时间段内的平均数字化速率，这段时间包含了采集时间(最大采样率)和空闲时间(0采样率)。  

        指定每个时间段的数字化点数之后，用户就可以对捕获偶发事件(无论发生在采集时间内还是空闲时间内)的统计概率有一个更准确的概念。不幸的是多数示波器制造商的资料和手册中还没有普遍采用这个指标，之所以如此是因为有太多的变量需要考虑，如扫描速度、通道数、存储深度等等。为了对快速采集方式和 MegaZoom技术进行比较，我们给出四种500MHz到1GHz的示波器对比曲线图，其中有两种快速采集示波器和两种MegaZoom示波器。图中显示的数据是在接近最优运行条件(单通道运行、实时采样、禁用自动测量与数学计算功能)和较大范围扫描速度设置情况下收集到的(图2)。这次比较只考虑“屏上可见”的数字化点，比方说当示波器以很快的时基显示波形时，实际上在屏外也会有很多数字化点，但由于这个分析只是试图说明实际可见的偶发事件概率，故屏外数据点没有用处，在分析中不予考虑。  

        从图2可以看出，无论快速采集示波器还是MegaZoom示波器都不能在所有条件下都更胜一筹。影响每秒数字化点数的首要变量是示波器时基设置，当扫描速度设定在每刻度2μs或更快时，快速采集示波器因其空闲时间短而要好一些，但必须注意的是快速采集示波器对采样率是有限制的。即便其每秒数字化点数在较快扫描速率下可能高于MegaZoom示波器，但如果采样率低到不能捕获偶发事件，那么每秒数字化点数可能也没有意义。

        当扫描速度设定在每刻度5μs或更慢时，MegaZoom示波器表现更好，因为它在采集时间内的采样率和存储深度都更大(在采集时间内可收集到更多的波形信息)。所以究竟哪一种示波器更有利于捕获偶发事件要视情况而定。下面来看两个捕获偶发事件的例子。

        如果要试图捕获高速锁存器输出端的亚稳态，快速采集示波器可能做得更好，这种情况下一般要将示波器的时基设定在比较快的扫描速度上才能看到亚稳态详情(图 3)。然而即便锁存器输出信号也可能表现出高速特性，如快速上升时间，其实际交换速率可能比快速采集示波器标定的最大数字化刷新率低得多，这就限制了触发速率，而触发速率是确定数字化率的主要因素。所以示波器的空闲时间可能并不取决于最小重新启动时间和处理时间，而只是由输入信号的触发速率所决定。在理想条件(不限定触发速率和采样率)下，快速采集示波器的效果要好，但在多数实际条件下，MegaZoom示波器可能会因其较高采样率和较深的存储能力而更佳。

        如果要捕获一个长的串行数据流中某个不小心出现的传输位或包(图4)，MegaZoom示波器在捕获偶发事件方面要好一些。为捕获此类事件，可能要将示波器时基设定在每刻度2μs或者更慢，MegaZoom示波器在这样的条件下能够以较高采样率和存储深度获得比快速采集示波器更多的信息。这再次说明，孰是孰非取决于特定的应用。

        最后还要强调的是应考虑所谓的“特殊方式”与“标准运行方式”。如上所述，一些示波器的快速采集方式是一种特殊运行方式，只有在有特定需要时才会使用这种运行方式。对于MegaZoom示波器来说，MegaZoom方式是普通缺省运行方式，无须进入特殊运行方式，刷新速率以及深存储能力都是最优化的，而且它也不会牺牲数字化性能、自动测量功能和后采集放大分析等功能。