數字示波器的“靜默”和捕獲技術

姚曉平

摘? 要： 由于器件和功能的增多導致電路的測試和調試越來越困難，要全真地捕獲非周期的噪聲、串擾和瞬時等信號幾乎不可能。通過分析數字示波器的原理，探知示波器的靜默和捕獲過程，分析總結了三家著名示波器生產廠家對波形捕獲所應用的各項新技術。通過隨機概論理論對波形捕獲率的分析，得到了捕獲率的量化計算公式和影響因素。提出了觸發輸出法和雙脈沖計數法二種測試示波器波形捕獲率的方法，并對市場中常見示波器的捕獲率進行了實測驗證。

關鍵詞： 波形捕獲； 靜默； 觸發輸出； 雙脈沖法

中圖分類號： TN911.7?34； TB973??????????? 文獻標識碼： A??????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0072?03

Abstract： It is more difficult to test and debug circuits due to the increase of devices and their function. It is almost impossible to capture the non periodic noise， crosstalk and instantaneous signals entirely. According to the principle analysis of digital oscilloscope， the oscilloscope silence and capture process were ascertained. The various new technologies mastered by three well?known manufacturers to capture oscilloscope waveform are analyzed and summarized. Through the analysis of stochastic theory of waveform capture rate， the factors affecting capture rate formula and the quantification calculation formula were obtained. The trigger output method and double pulse counting method to test oscilloscope waveform capture rate are put forward. The methods were verified by testing the capture rate of the common oscilloscopes available in market.

Keywords： waveform capture； silence； trigger output； double?pulse method

隨著電子技術的發展， 使得器件的密度和功能增多；為了提高響應速度而采用數字總線，為此就會給電路帶來串擾、自激、噪聲和瞬時信號不易觀測，增加了電路調試和產品測試的難度。這時示波器就顯得非常重要，尤其數字示波器的波形捕獲率指標影響巨大。

1? 數字示波器捕獲技術

數字示波器CPU在采集、保持、量化、編碼、顯示、測量與分析等過程中，示波器無法捕捉信號。著名的制造商采取不同方法解決捕獲率問題。

1.1? Agilent的基于MegaZoom現代構架和最新芯片系統的示波器捕獲技術

Agilent公司的MegaZoom技術[1?2]是應用了多處理器和并行處理技術，使得顯示屏具有快速響應和刷新、深存儲和高捕獲率。

（1） 提高帶寬和采樣的性能。使用專利磷化銦做采樣電路，延遲線控制采樣間隔；把采樣保持電路和數據轉換電路分開，提高響應時間。

（2） 模/數轉化電路采用8路并行信號的數據采集，采集后的信號通過80個2 Gb/s的LVDS差分傳輸線把數據傳送給FPGA進行數據處理。

（3） 在FGPA內部嵌入MegaZoom處理核，將存儲器內部分為兩塊，使得捕獲數據的同時可以傳遞數據。這樣可以使波形刷新率提高一倍，并提升示波器的響應速度和精度。

1.2? 泰克公司的基于DPXTM并行構架的數字熒光示波器捕獲技術

泰克公司基于專有的DPXTM采集技術成就了其高性能的波形捕獲能力。

（1） 使用顯示和數據處理并行的架構體系，利用以隨時間變化的幅度、時間和振幅的三維立體圖像進行數據采集處理、存儲及顯示策略。將數據直接以輝度等級的波形圖像映射到顯示屏，而處理器同時進行系統控制、數據處理等，縮短了系統的“靜默”時間。

（2） DPX采集技術的發明， 將快刷新和模擬余輝顯示功能有機的結合，使數字示波器具有模擬示波器的顯示效果，又有數字示波器后期分析處理的能力。取樣信號[3?5]，以256級亮度可變色級存留，模擬示波管屏幕熒光體的發光特性。原理如圖1所示。

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圖1 并行工作構架的示波器示意圖

（3） 獨特的分析能力。MyscopeTM用戶界面、多種觸發組合的PinPoint觸發系統，使得復雜的信號也能被捕獲。FastAcq信號采集技術，使信號發生的頻次使用不同顏色在屏幕上顯示。

1.3? 力科公司的基于硬件技術和強大分析能力的示波器捕獲技術

力科公司[6]示波器具有很高的帶寬與采樣率、全面的脈沖響應方式、有效的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準能力和分析能力，是實現高捕獲波形性能的關鍵。

（1） 為了保證輸入通道的高采樣和信號一致性，選用了對稱拓撲抑制尖端共模電壓和精確的等效電路使得差分探頭的負載效應為最小；而前端放大器到ADC采樣芯片之間的信號通路選用二顆芯片疊加采樣的構造，促進了對捕獲高速信號有著良好的性能。

（2） 選用8HP鍺化硅工藝和DBI技術，使得示波器的帶寬和采集模塊性能得到了提高，而不是采用傳統的“DSP Boost”“拉伸”帶寬法，減少了高頻諧波失真和底噪較大的問題。DBI技術的使用，提高了實時示波器的帶寬。同時，還將示波器的信號采集功能從顯示、控制以及處理功能中獨立了出來，形成并行結構。TriggerScan智能觸發方式，使得它能隔離并觸發異常信號；具有最大存儲深度相匹配的數據處理能力，很高的響應能力。

（3） 良好的分析能力。一是電纜去嵌能力，Pulse Mode，Eye Mode和Flatness Mode這三種脈沖響應方式適應不同信號的測試應用需求。示波器內同時嵌入了這三種響應方式，使得電纜去嵌能補償電纜在全頻段的損耗，使示波器的精確性和重復性得到了提高。二是具有WaveScan功能，就是波形“掃描”，多種掃描的模式，可以對通道實時輸入的波形做分析。具有波形搜索能力，可以持續刷新和監測波形。三是Web級連運算仿真功能。

2? 數字示波器原理

圖2是數字示波器的原理框圖，輸入信號經探頭送到前端放大器，輸出的信號由取樣、保持電路進行取樣，并由模/數轉換器變成數字信號， 轉換后的信號存到存儲器中，CPU對信號進行波形處理，并送到顯示屏上。根據需要還可以做進一步的圖形、數據處理、存儲比較等工作。這是一個鏈條式的過程，由輸入到顯示，再重復以上過程。

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圖2 數字示波器的原理框圖

2.1? 數字示波器的采集與死區時間關系

示波器從采樣信號到波形顯示的全過程稱為捕獲周期，在捕獲的一個周期結束后，才可以進行下一個周期。所以，數字示波器采集波形時間非常短，大部分時間都用于對波形的后處理上，在這個過程，示波器就處于盲區，它“靜默”了，不接受被測信號，所以稱這段時間為靜默（死區）時間。即兩次采集之間，示波器觸發釋抑、重新準備下一次采集、數據處理時間的總和。死區時間比采集時間長，如圖3所示。由于示波器靜默的存在，導致示波器可能漏掉異常信號，給用戶一個不保真的結果，導致測量結果誤導。

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圖3 數字示波器的采集與死區時間關系

在數字示波器中CPU需要對顯示、測量、觸發、運算等許多功能進行處理，所以會產生某項功能在某些時候會靜默。而在示波器取不同的時基時靜默時間也不同，時基越小，靜默時間越長；反之則越短。從實測和理論計算發現，捕獲時間比死區時間來說非常短， 當死區時間從99.999%減少到90%，減少了不到10%，但波形捕獲率可提高1 萬倍。

2.2? 數字示波器的波形捕獲率的估算[7?9]

波形捕獲率就是單位時間內示波器捕獲并顯示的波形次數。可以用公式表示為：

[B=1T0] （1）

式中：[T0]為系統完成一次采集、顯示波形所需要的時間，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s；

由圖3不難確定采集系統的死區時間與波形捕獲率的比例關系如下式所示：

[T死=（T0-T采）T0×100%=（1-T采B）×100%]?? （2）

式中：[T死]為 死區時間；[T采]為采集時間，與時基檔位、儲存深度和采樣率等有關。

由式（2）可以看出，當采集時間一定時，死區時間與波形捕獲率成反比，即波形捕獲率越大，死區時間所占比例越小，反之則所占比例越大。由于死區時間所占的比率在0～100%之間，故波形捕獲率的取值為[0≤P≤1T采，]同理，當波形捕獲率一定時，死區時間與有效采集時間成反比關系，即有效采集時間越大，死區時間所占比例越小，反之則所占比例越大。所以，減小死區時間所占比例或增大采集時間，是提高系統波形捕獲率的兩種方法。

根據隨機概率理論，可以得到擲色子同一面向上的幾率， 擲一次同一面向上的幾率[P]為[16，]擲[n]次一面向上的機率為：

[P=1-（1-1R）n] （3）

當然，擲色子的次數[n]多了，同一面向上的機率就會增加，但不會等于或超過100%。

假設在單位時間內異常瞬態信號發生的概率為[R，]一次采集過程中有效采集時間的顯示時間為[T，]一次采集能夠捕捉到該信號的概率為[P，][B]為波形捕獲率，則：

[P=1-（1-RT）B] （4）

因此，示波器的波形捕獲率[B]越大，單位時間內能夠捕獲到瞬態信號的概率就越大，示波器的測試時間越短。

3? 捕獲率測試方法

根據波形捕獲率的定義，可以用以下兩種實測方法對儀器標稱值進行驗證。一般示波器說明書上標注的是指在特定的設置下所產生的最高值。可以用下面的方法進行：

（1） 觸發輸出法。其步驟為先將被測示波器的Trigger Out輸出至任意一臺示波器的輸入端CH1。然后將被測示波器設置為：ACQUIRE→RECORD；LENGTH→SHORT；ACQUIRE→MODE→SAMPLE；TRIGGER→AUTO。最后調整任意一臺示波器垂直檔位和時基，打開CURSOR，會在被測示波器的屏幕上出現如圖4所示的觸發脈沖波形，不停地按SINGLE鍵，抓單次信號直到兩個觸發脈沖頂端之間的時間間隔最短，如圖4中的10.4 μs。計算波形捕獲率為[110.4] μs=96 150 wfms/s。

（2） 雙脈沖計數法。其步驟為先將脈沖信號發生器的輸出連到被測示波器的輸入通道。設置被測示波器工作在最高捕獲率的時基下，觸發方式選正常，觸發類型選邊沿，顯示方式為無限余輝，調節幅度檔位為適當。

如圖5所示，測試信號選輸出單次雙脈沖，一段較窄脈沖為[W1]和一段較寬脈沖為[W2，]兩個脈沖的上升沿對應著波形的觸發位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之間的時間間隔可調節。測試前先關閉信號發生器的輸出。

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圖4 觸發脈沖波形

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼30t5.tif>；

圖5 單次雙脈沖測試信號

啟動采集，待示波器進入等待觸發狀態后，打開信號發生器的輸出開關，觀察被測示波器波形顯示區。

首先設定較小的時間間隔[T0，]讓示波器采集到的波形如圖6（a）所示，即示波器波形顯示區域中只有一個窄脈沖；然后調節信號發生器，逐漸增大[T0，]重新進行上述測試，直到采集到的信號正好如圖6（b）所示，即示波器波形顯示區域中有重疊在一起的兩個脈沖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼30t6.tif>；

圖6 捕捉到的雙脈沖波形

根據此時信號源設定的時間間隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕獲率的瞬時值。也就是當信號源的頻率與示波器同步時就是當前捕獲率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]為[t1]和[t2]之間的時間間隔，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s。

表1是幾款示波器捕獲率的實測值（單位：wfms/s）。

表1 波形捕獲率測試對比????? wfms/s

[型號＼&；標稱捕獲率＼&；觸發輸出法

實測捕獲率＼&；雙脈沖計數法實測捕獲率＼&；TDS3012＼&；3 600＼&；3 305＼&；3 325＼&；DPO4054＼&；50 000＼&；48 698＼&；49 003＼&；GDS?2000＼&；80 000＼&；96 150＼&；95 876＼&；DS1000＼&；2 000＼&；1 901＼&；1 977＼&；UT2012＼&；2 500＼&；2 487＼&；2 502＼&；]

從表1測量數據得出，與標稱值相符。

4? 結? 論

經過以上的理論和實測分析，捕獲技術是示波器的一個重要指標。捕獲能力越強，得到的信號特性就越多；捕獲到異常信號的機率就越高。就捕獲技術來說，應該減少“靜默”時間，增加采集次數是解決捕獲率問題的途徑。現在技術主要是從硬件構件、并行處理和分析能力等方面考慮。

參考文獻

[1]安捷倫公司.評測擁有最佳波形捕獲率的示波器[EB/OL].[[2011?05?15]].? http：//cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/[5989?]

7885CHCN.pdf.

[2]安捷倫公司.評估示波器的信號保真度[EB/OL].[2014?05?14].http：//share.eepw.com.cn/share/download/id/167042.

[3] ALLAN R. DPOs employ intuitive learning to raise productivity bar [J]. Electronic Design，? 2004， 52（6）： 32?37.

[4] Tektronix Inc. Third?generation? digital? phosphor? oscilloscopes? deliver? unprecedented waveform visualization [EB/OL]. [1999?02?23]. http：//www.tek.com.

[5] Tektronix Inc. The DPO breakthrough [EB/OL]. [2006?01?04]. http：//www.tek.com.

[6] 力科公司.史上最強的第四代示波器WavePro 7Zi述評[EB/OL].[2008?07?11].http：//www.eefocus.com/bbs/article_9_26302.html.

[7] 葉芃，曾浩，向川云，等.數字存儲示波器波形捕獲率測試方法[J].計量學報，2010（6）：551?554.

[8] 張榮成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕獲率觀察偶發信號[J].電子設計技術，2011（8）：60?61.

[9] 汪進進.關于示波器捕獲信號的基本原則及基本操作步驟[J].電子質量，2009（5）：15?18.

（2） 雙脈沖計數法。其步驟為先將脈沖信號發生器的輸出連到被測示波器的輸入通道。設置被測示波器工作在最高捕獲率的時基下，觸發方式選正常，觸發類型選邊沿，顯示方式為無限余輝，調節幅度檔位為適當。

如圖5所示，測試信號選輸出單次雙脈沖，一段較窄脈沖為[W1]和一段較寬脈沖為[W2，]兩個脈沖的上升沿對應著波形的觸發位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之間的時間間隔可調節。測試前先關閉信號發生器的輸出。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼30t4.tif>；

圖4 觸發脈沖波形

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼30t5.tif>；

圖5 單次雙脈沖測試信號

啟動采集，待示波器進入等待觸發狀態后，打開信號發生器的輸出開關，觀察被測示波器波形顯示區。

首先設定較小的時間間隔[T0，]讓示波器采集到的波形如圖6（a）所示，即示波器波形顯示區域中只有一個窄脈沖；然后調節信號發生器，逐漸增大[T0，]重新進行上述測試，直到采集到的信號正好如圖6（b）所示，即示波器波形顯示區域中有重疊在一起的兩個脈沖。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼30t6.tif>；

圖6 捕捉到的雙脈沖波形

根據此時信號源設定的時間間隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕獲率的瞬時值。也就是當信號源的頻率與示波器同步時就是當前捕獲率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]為[t1]和[t2]之間的時間間隔，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s。

表1是幾款示波器捕獲率的實測值（單位：wfms/s）。

表1 波形捕獲率測試對比????? wfms/s

[型號＼&；標稱捕獲率＼&；觸發輸出法

實測捕獲率＼&；雙脈沖計數法實測捕獲率＼&；TDS3012＼&；3 600＼&；3 305＼&；3 325＼&；DPO4054＼&；50 000＼&；48 698＼&；49 003＼&；GDS?2000＼&；80 000＼&；96 150＼&；95 876＼&；DS1000＼&；2 000＼&；1 901＼&；1 977＼&；UT2012＼&；2 500＼&；2 487＼&；2 502＼&；]

從表1測量數據得出，與標稱值相符。

4? 結? 論

經過以上的理論和實測分析，捕獲技術是示波器的一個重要指標。捕獲能力越強，得到的信號特性就越多；捕獲到異常信號的機率就越高。就捕獲技術來說，應該減少“靜默”時間，增加采集次數是解決捕獲率問題的途徑。現在技術主要是從硬件構件、并行處理和分析能力等方面考慮。

參考文獻

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[2]安捷倫公司.評估示波器的信號保真度[EB/OL].[2014?05?14].http：//share.eepw.com.cn/share/download/id/167042.

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[7] 葉芃，曾浩，向川云，等.數字存儲示波器波形捕獲率測試方法[J].計量學報，2010（6）：551?554.

[8] 張榮成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕獲率觀察偶發信號[J].電子設計技術，2011（8）：60?61.

[9] 汪進進.關于示波器捕獲信號的基本原則及基本操作步驟[J].電子質量，2009（5）：15?18.

（2） 雙脈沖計數法。其步驟為先將脈沖信號發生器的輸出連到被測示波器的輸入通道。設置被測示波器工作在最高捕獲率的時基下，觸發方式選正常，觸發類型選邊沿，顯示方式為無限余輝，調節幅度檔位為適當。

如圖5所示，測試信號選輸出單次雙脈沖，一段較窄脈沖為[W1]和一段較寬脈沖為[W2，]兩個脈沖的上升沿對應著波形的觸發位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之間的時間間隔可調節。測試前先關閉信號發生器的輸出。

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圖4 觸發脈沖波形

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圖5 單次雙脈沖測試信號

啟動采集，待示波器進入等待觸發狀態后，打開信號發生器的輸出開關，觀察被測示波器波形顯示區。

首先設定較小的時間間隔[T0，]讓示波器采集到的波形如圖6（a）所示，即示波器波形顯示區域中只有一個窄脈沖；然后調節信號發生器，逐漸增大[T0，]重新進行上述測試，直到采集到的信號正好如圖6（b）所示，即示波器波形顯示區域中有重疊在一起的兩個脈沖。

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圖6 捕捉到的雙脈沖波形

根據此時信號源設定的時間間隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕獲率的瞬時值。也就是當信號源的頻率與示波器同步時就是當前捕獲率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]為[t1]和[t2]之間的時間間隔，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s。

表1是幾款示波器捕獲率的實測值（單位：wfms/s）。

表1 波形捕獲率測試對比????? wfms/s

[型號＼&；標稱捕獲率＼&；觸發輸出法

實測捕獲率＼&；雙脈沖計數法實測捕獲率＼&；TDS3012＼&；3 600＼&；3 305＼&；3 325＼&；DPO4054＼&；50 000＼&；48 698＼&；49 003＼&；GDS?2000＼&；80 000＼&；96 150＼&；95 876＼&；DS1000＼&；2 000＼&；1 901＼&；1 977＼&；UT2012＼&；2 500＼&；2 487＼&；2 502＼&；]

從表1測量數據得出，與標稱值相符。

4? 結? 論

經過以上的理論和實測分析，捕獲技術是示波器的一個重要指標。捕獲能力越強，得到的信號特性就越多；捕獲到異常信號的機率就越高。就捕獲技術來說，應該減少“靜默”時間，增加采集次數是解決捕獲率問題的途徑。現在技術主要是從硬件構件、并行處理和分析能力等方面考慮。

參考文獻

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7885CHCN.pdf.

[2]安捷倫公司.評估示波器的信號保真度[EB/OL].[2014?05?14].http：//share.eepw.com.cn/share/download/id/167042.

[3] ALLAN R. DPOs employ intuitive learning to raise productivity bar [J]. Electronic Design，? 2004， 52（6）： 32?37.

[4] Tektronix Inc. Third?generation? digital? phosphor? oscilloscopes? deliver? unprecedented waveform visualization [EB/OL]. [1999?02?23]. http：//www.tek.com.

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[7] 葉芃，曾浩，向川云，等.數字存儲示波器波形捕獲率測試方法[J].計量學報，2010（6）：551?554.

[8] 張榮成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕獲率觀察偶發信號[J].電子設計技術，2011（8）：60?61.

[9] 汪進進.關于示波器捕獲信號的基本原則及基本操作步驟[J].電子質量，2009（5）：15?18.