示波器基本原理之四:波形捕获率

[整理自Keysight官网资料]

波形更新率可以说是极为重要的 — 有时与带宽和存储深度一样重要。所有的示波器都有一个内在特性,称为“死区时间”。这是示波器进行每一次重复采集之间的时间,此时其正在处理先前采集的波形。遗憾的是,示波器的死区时间有时会比采集时间更长。在示波器的死区时间期间,任何出现的信号将会丢失,这会使随机采集和示波器的罕见毛刺成为一种赌博。

1. 了解示波器静寂时间

在您调试新设计时,波形和解码捕获率极为重要,尤其是当您尝试找出并调试偶发或间歇发生的异常时,这是最难解决的问题。更快的波形和解码捕获率可提高示波器捕获偶发事件的几率。要知道这是为什么,首先您必须了解什么是示波器的“静寂时间”(有时也称为“死区时间”)。所有示波器都有“静寂时间”,如图 1 所示。“静寂时间”是指示波器两次采集之间(即示波器处理上一个捕获波形,然后将其显示在示波器显示屏上)的时间。在此处理过程中或静寂时间内,示波器“无视” 您正在调试的设计中出现的任何信号活动。

请注意图 1 中突出显示的毛刺发生在示波器的静寂时间内。在两次示波器采集周期之后,这些毛刺不会在示波器屏幕上显示。当您知道设备的捕获速率时,可轻松计算示波器的静寂时间百分比。示波器的静寂时间百分比等于示波器采集周期减去屏幕上捕获时间得出的值和示波器采集周期的比率。示波器的采集周期是示波器波形捕获率的倒数,必须根据所用的特定设置条件进行测量。

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然而,示波器的静寂时间要比屏幕上捕获时间长了几个数量级,即便是拥有极高捕获率的示波器也是如此。这是多数示波器厂商竭力回避的一个事实。也就是说,通过示波器来采集偶发事件和复杂疑难事件,纯粹是以几个不同的设置参数为基础的几率游戏。事实上,示波器捕获偶发事件的几率和掷色子时猜中哪一面向上的几率算法类似。首先我们来看一下掷色子的几率,其次再讨论它与示波器捕获几率之间的关联。

2. 掷色子的启示

当您一次掷一个色子(六面)时,某一面向上的几率是 1/6,非常好算!那么掷两次色子时,至少一次某一面向上的几率是多少呢?如果不认真思考,有人可能会直观地认为几率是 2/6 或 33.3%。假设这种推断正确,那么掷 10 次色子时至少一次某一面向上的几率岂不是大于 100% ?这显然是不可能的。“S”面的色子掷“N”次时,至少一次某一面向上几率(PN)的百分比为:

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为了便于理解,实际上先考虑计算某一面不向上的几率作为相反的结果要比直接计算某一面向上的几率更简单。掷色子时某一面不向上的几率是“(S-1)/S”。因此一个六面的色子某一面不向上的几率是 5/6。掷色子的次数(N)越多,这一面一直不向上的几率就成指数下降。也就是说,至少出现一次这一面向上的几率逐步增加,但绝不会达到或超过 100%。

对于示波器捕获率来说,“S”是异常事件的平均出现时间与示波器显示窗口时间的比率。例如,如果一个毛刺每 10 ms(每秒 100 次)出现一次,而示波器时基设置为 20 ns/ 格,则屏幕上捕获时间为 200ns,那么 S = 10 ms/200 ns 既 50000。

在本例中,即是一个 50000 个面的色子,您可以借助图 2 中的色子想象一下,出现异常波形的那一面向上的几率。因此仅一次采集就可捕获毛刺的几率是 1/50000,而无法捕获毛刺的几率是 49999/50000。

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