数字示波器的“静默”和捕获技术

姚晓平

摘  要： 由于器件和功能的增多导致电路的测试和调试越来越困难，要全真地捕获非周期的噪声、串扰和瞬时等信号几乎不可能。通过分析数字示波器的原理，探知示波器的静默和捕获过程，分析总结了三家著名示波器生产厂家对波形捕获所应用的各项新技术。通过随机概论理论对波形捕获率的分析，得到了捕获率的量化计算公式和影响因素。提出了触发输出法和双脉冲计数法二种测试示波器波形捕获率的方法，并对市场中常见示波器的捕获率进行了实测验证。

关键词： 波形捕获； 静默； 触发输出； 双脉冲法

中图分类号： TN911.7?34； TB973            文献标识码： A                        文章编号： 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

随着电子技术的发展， 使得器件的密度和功能增多；为了提高响应速度而采用数字总线，为此就会给电路带来串扰、自激、噪声和瞬时信号不易观测，增加了电路调试和产品测试的难度。这时示波器就显得非常重要，尤其数字示波器的波形捕获率指标影响巨大。

1  数字示波器捕获技术

数字示波器CPU在采集、保持、量化、编码、显示、测量与分析等过程中，示波器无法捕捉信号。著名的制造商采取不同方法解决捕获率问题。

1.1  Agilent的基于MegaZoom现代构架和最新芯片系统的示波器捕获技术

Agilent公司的MegaZoom技术[1?2]是应用了多处理器和并行处理技术，使得显示屏具有快速响应和刷新、深存储和高捕获率。

（1） 提高带宽和采样的性能。使用专利磷化铟做采样电路，延迟线控制采样间隔；把采样保持电路和数据转换电路分开，提高响应时间。

（2） 模/数转化电路采用8路并行信号的数据采集，采集后的信号通过80个2 Gb/s的LVDS差分传输线把数据传送给FPGA进行数据处理。

（3） 在FGPA内部嵌入MegaZoom处理核，将存储器内部分为两块，使得捕获数据的同时可以传递数据。这样可以使波形刷新率提高一倍，并提升示波器的响应速度和精度。

1.2  泰克公司的基于DPXTM并行构架的数字荧光示波器捕获技术

泰克公司基于专有的DPXTM采集技术成就了其高性能的波形捕获能力。

（1） 使用显示和数据处理并行的架构体系，利用以随时间变化的幅度、时间和振幅的三维立体图像进行数据采集处理、存储及显示策略。将数据直接以辉度等级的波形图像映射到显示屏，而处理器同时进行系统控制、数据处理等，缩短了系统的“静默”时间。

（2） DPX采集技术的发明， 将快刷新和模拟余辉显示功能有机的结合，使数字示波器具有模拟示波器的显示效果，又有数字示波器后期分析处理的能力。取样信号[3?5]，以256级亮度可变色级存留，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性。原理如图1所示。

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图1 并行工作构架的示波器示意图

（3） 独特的分析能力。MyscopeTM用户界面、多种触发组合的PinPoint触发系统，使得复杂的信号也能被捕获。FastAcq信号采集技术，使信号发生的频次使用不同颜色在屏幕上显示。

1.3  力科公司的基于硬件技术和强大分析能力的示波器捕获技术

力科公司[6]示波器具有很高的带宽与采样率、全面的脉冲响应方式、有效的电缆去嵌能力以及方便灵活的通道校准能力和分析能力，是实现高捕获波形性能的关键。

（1） 为了保证输入通道的高采样和信号一致性，选用了对称拓扑抑制尖端共模电压和精确的等效电路使得差分探头的负载效应为最小；而前端放大器到ADC采样芯片之间的信号通路选用二颗芯片叠加采样的构造，促进了对捕获高速信号有着良好的性能。

（2） 选用8HP锗化硅工艺和DBI技术，使得示波器的带宽和采集模块性能得到了提高，而不是采用传统的“DSP Boost”“拉伸”带宽法，减少了高频谐波失真和底噪较大的问题。DBI技术的使用，提高了实时示波器的带宽。同时，还将示波器的信号采集功能从显示、控制以及处理功能中独立了出来，形成并行结构。TriggerScan智能触发方式，使得它能隔离并触发异常信号；具有最大存储深度相匹配的数据处理能力，很高的响应能力。

（3） 良好的分析能力。一是电缆去嵌能力，Pulse Mode，Eye Mode和Flatness Mode这三种脉冲响应方式适应不同信号的测试应用需求。示波器内同时嵌入了这三种响应方式，使得电缆去嵌能补偿电缆在全频段的损耗，使示波器的精确性和重复性得到了提高。二是具有WaveScan功能，就是波形“扫描”，多种扫描的模式，可以对通道实时输入的波形做分析。具有波形搜索能力，可以持续刷新和监测波形。三是Web级连运算仿真功能。

2  数字示波器原理

图2是数字示波器的原理框图，输入信号经探头送到前端放大器，输出的信号由取样、保持电路进行取样，并由模/数转换器变成数字信号， 转换后的信号存到存储器中，CPU对信号进行波形处理，并送到显示屏上。根据需要还可以做进一步的图形、数据处理、存储比较等工作。这是一个链条式的过程，由输入到显示，再重复以上过程。

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图2 数字示波器的原理框图

2.1  数字示波器的采集与死区时间关系

示波器从采样信号到波形显示的全过程称为捕获周期，在捕获的一个周期结束后，才可以进行下一个周期。所以，数字示波器采集波形时间非常短，大部分时间都用于对波形的后处理上，在这个过程，示波器就处于盲区，它“静默”了，不接受被测信号，所以称这段时间为静默（死区）时间。即两次采集之间，示波器触发释抑、重新准备下一次采集、数据处理时间的总和。死区时间比采集时间长，如图3所示。由于示波器静默的存在，导致示波器可能漏掉异常信号，给用户一个不保真的结果，导致测量结果误导。

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图3 数字示波器的采集与死区时间关系

在数字示波器中CPU需要对显示、测量、触发、运算等许多功能进行处理，所以会产生某项功能在某些时候会静默。而在示波器取不同的时基时静默时间也不同，时基越小，静默时间越长；反之则越短。从实测和理论计算发现，捕获时间比死区时间来说非常短， 当死区时间从99.999%减少到90%，减少了不到10%，但波形捕获率可提高1 万倍。

2.2  数字示波器的波形捕获率的估算[7?9]

波形捕获率就是单位时间内示波器捕获并显示的波形次数。可以用公式表示为：

[B=1T0] （1）

式中：[T0]为系统完成一次采集、显示波形所需要的时间，单位：s；[B]为被测示波器的波形捕获率，单位：wfms/s；

由图3不难确定采集系统的死区时间与波形捕获率的比例关系如下式所示：

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

式中：[T死]为 死区时间；[T采]为采集时间，与时基档位、储存深度和采样率等有关。

由式（2）可以看出，当采集时间一定时，死区时间与波形捕获率成反比，即波形捕获率越大，死区时间所占比例越小，反之则所占比例越大。由于死区时间所占的比率在0～100%之间，故波形捕获率的取值为[0≤P≤1T采，]同理，当波形捕获率一定时，死区时间与有效采集时间成反比关系，即有效采集时间越大，死区时间所占比例越小，反之则所占比例越大。所以，减小死区时间所占比例或增大采集时间，是提高系统波形捕获率的两种方法。

根据随机概率理论，可以得到掷色子同一面向上的几率， 掷一次同一面向上的几率[P]为[16，]掷[n]次一面向上的机率为：

[P=1-（1-1R）n] （3）

当然，掷色子的次数[n]多了，同一面向上的机率就会增加，但不会等于或超过100%。

假设在单位时间内异常瞬态信号发生的概率为[R，]一次采集过程中有效采集时间的显示时间为[T，]一次采集能够捕捉到该信号的概率为[P，][B]为波形捕获率，则：

[P=1-（1-RT）B] （4）

因此，示波器的波形捕获率[B]越大，单位时间内能够捕获到瞬态信号的概率就越大，示波器的测试时间越短。

3  捕获率测试方法

根据波形捕获率的定义，可以用以下两种实测方法对仪器标称值进行验证。一般示波器说明书上标注的是指在特定的设置下所产生的最高值。可以用下面的方法进行：

（1） 触发输出法。其步骤为先将被测示波器的Trigger Out输出至任意一台示波器的输入端CH1。然后将被测示波器设置为：ACQUIRE→RECORD；LENGTH→SHORT；ACQUIRE→MODE→SAMPLE；TRIGGER→AUTO。最后调整任意一台示波器垂直档位和时基，打开CURSOR，会在被测示波器的屏幕上出现如图4所示的触发脉冲波形，不停地按SINGLE键，抓单次信号直到两个触发脉冲顶端之间的时间间隔最短，如图4中的10.4 μs。计算波形捕获率为[110.4] μs=96 150 wfms/s。

（2） 双脉冲计数法。其步骤为先将脉冲信号发生器的输出连到被测示波器的输入通道。设置被测示波器工作在最高捕获率的时基下，触发方式选正常，触发类型选边沿，显示方式为无限余辉，调节幅度档位为适当。

如图5所示，测试信号选输出单次双脉冲，一段较窄脉冲为[W1]和一段较宽脉冲为[W2，]两个脉冲的上升沿对应着波形的触发位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之间的时间间隔可调节。测试前先关闭信号发生器的输出。

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图4 触发脉冲波形

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

图5 单次双脉冲测试信号

启动采集，待示波器进入等待触发状态后，打开信号发生器的输出开关，观察被测示波器波形显示区。

首先设定较小的时间间隔[T0，]让示波器采集到的波形如图6（a）所示，即示波器波形显示区域中只有一个窄脉冲；然后调节信号发生器，逐渐增大[T0，]重新进行上述测试，直到采集到的信号正好如图6（b）所示，即示波器波形显示区域中有重叠在一起的两个脉冲。

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

图6 捕捉到的双脉冲波形

根据此时信号源设定的时间间隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕获率的瞬时值。也就是当信号源的频率与示波器同步时就是当前捕获率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]为[t1]和[t2]之间的时间间隔，单位：s；[B]为被测示波器的波形捕获率，单位：wfms/s。

表1是几款示波器捕获率的实测值（单位：wfms/s）。

表1 波形捕获率测试对比      wfms/s

[型号＼&；标称捕获率＼&；触发输出法

实测捕获率＼&；双脉冲计数法实测捕获率＼&；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＼&；]

从表1测量数据得出，与标称值相符。

4  结  论

经过以上的理论和实测分析，捕获技术是示波器的一个重要指标。捕获能力越强，得到的信号特性就越多；捕获到异常信号的机率就越高。就捕获技术来说，应该减少“静默”时间，增加采集次数是解决捕获率问题的途径。现在技术主要是从硬件构件、并行处理和分析能力等方面考虑。

参考文献

[1]安捷伦公司.评测拥有最佳波形捕获率的示波器[EB/OL].[[2011?05?15]].  http：//cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/[5989?]

7885CHCN.pdf.

[2]安捷伦公司.评估示波器的信号保真度[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.史上最强的第四代示波器WavePro 7Zi述评[EB/OL].[2008?07?11].http：//www.eefocus.com/bbs/article_9_26302.html.

[7] 叶芃，曾浩，向川云，等.数字存储示波器波形捕获率测试方法[J].计量学报，2010（6）：551?554.

[8] 张荣成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕获率观察偶发信号[J].电子设计技术，2011（8）：60?61.

[9] 汪进进.关于示波器捕获信号的基本原则及基本操作步骤[J].电子质量，2009（5）：15?18.

（2） 双脉冲计数法。其步骤为先将脉冲信号发生器的输出连到被测示波器的输入通道。设置被测示波器工作在最高捕获率的时基下，触发方式选正常，触发类型选边沿，显示方式为无限余辉，调节幅度档位为适当。

如图5所示，测试信号选输出单次双脉冲，一段较窄脉冲为[W1]和一段较宽脉冲为[W2，]两个脉冲的上升沿对应着波形的触发位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之间的时间间隔可调节。测试前先关闭信号发生器的输出。

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图4 触发脉冲波形

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图5 单次双脉冲测试信号

启动采集，待示波器进入等待触发状态后，打开信号发生器的输出开关，观察被测示波器波形显示区。

首先设定较小的时间间隔[T0，]让示波器采集到的波形如图6（a）所示，即示波器波形显示区域中只有一个窄脉冲；然后调节信号发生器，逐渐增大[T0，]重新进行上述测试，直到采集到的信号正好如图6（b）所示，即示波器波形显示区域中有重叠在一起的两个脉冲。

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图6 捕捉到的双脉冲波形

根据此时信号源设定的时间间隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕获率的瞬时值。也就是当信号源的频率与示波器同步时就是当前捕获率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]为[t1]和[t2]之间的时间间隔，单位：s；[B]为被测示波器的波形捕获率，单位：wfms/s。

表1是几款示波器捕获率的实测值（单位：wfms/s）。

表1 波形捕获率测试对比      wfms/s

[型号＼&；标称捕获率＼&；触发输出法

实测捕获率＼&；双脉冲计数法实测捕获率＼&；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＼&；]

从表1测量数据得出，与标称值相符。

4  结  论

经过以上的理论和实测分析，捕获技术是示波器的一个重要指标。捕获能力越强，得到的信号特性就越多；捕获到异常信号的机率就越高。就捕获技术来说，应该减少“静默”时间，增加采集次数是解决捕获率问题的途径。现在技术主要是从硬件构件、并行处理和分析能力等方面考虑。

参考文献

[1]安捷伦公司.评测拥有最佳波形捕获率的示波器[EB/OL].[[2011?05?15]].  http：//cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/[5989?]

7885CHCN.pdf.

[2]安捷伦公司.评估示波器的信号保真度[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.史上最强的第四代示波器WavePro 7Zi述评[EB/OL].[2008?07?11].http：//www.eefocus.com/bbs/article_9_26302.html.

[7] 叶芃，曾浩，向川云，等.数字存储示波器波形捕获率测试方法[J].计量学报，2010（6）：551?554.

[8] 张荣成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕获率观察偶发信号[J].电子设计技术，2011（8）：60?61.

[9] 汪进进.关于示波器捕获信号的基本原则及基本操作步骤[J].电子质量，2009（5）：15?18.

（2） 双脉冲计数法。其步骤为先将脉冲信号发生器的输出连到被测示波器的输入通道。设置被测示波器工作在最高捕获率的时基下，触发方式选正常，触发类型选边沿，显示方式为无限余辉，调节幅度档位为适当。

如图5所示，测试信号选输出单次双脉冲，一段较窄脉冲为[W1]和一段较宽脉冲为[W2，]两个脉冲的上升沿对应着波形的触发位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之间的时间间隔可调节。测试前先关闭信号发生器的输出。

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图4 触发脉冲波形

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图5 单次双脉冲测试信号

启动采集，待示波器进入等待触发状态后，打开信号发生器的输出开关，观察被测示波器波形显示区。

首先设定较小的时间间隔[T0，]让示波器采集到的波形如图6（a）所示，即示波器波形显示区域中只有一个窄脉冲；然后调节信号发生器，逐渐增大[T0，]重新进行上述测试，直到采集到的信号正好如图6（b）所示，即示波器波形显示区域中有重叠在一起的两个脉冲。

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图6 捕捉到的双脉冲波形

根据此时信号源设定的时间间隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕获率的瞬时值。也就是当信号源的频率与示波器同步时就是当前捕获率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]为[t1]和[t2]之间的时间间隔，单位：s；[B]为被测示波器的波形捕获率，单位：wfms/s。

表1是几款示波器捕获率的实测值（单位：wfms/s）。

表1 波形捕获率测试对比      wfms/s

[型号＼&；标称捕获率＼&；触发输出法

实测捕获率＼&；双脉冲计数法实测捕获率＼&；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＼&；]

从表1测量数据得出，与标称值相符。

4  结  论

经过以上的理论和实测分析，捕获技术是示波器的一个重要指标。捕获能力越强，得到的信号特性就越多；捕获到异常信号的机率就越高。就捕获技术来说，应该减少“静默”时间，增加采集次数是解决捕获率问题的途径。现在技术主要是从硬件构件、并行处理和分析能力等方面考虑。

参考文献

[1]安捷伦公司.评测拥有最佳波形捕获率的示波器[EB/OL].[[2011?05?15]].  http：//cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/[5989?]

7885CHCN.pdf.

[2]安捷伦公司.评估示波器的信号保真度[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.史上最强的第四代示波器WavePro 7Zi述评[EB/OL].[2008?07?11].http：//www.eefocus.com/bbs/article_9_26302.html.

[7] 叶芃，曾浩，向川云，等.数字存储示波器波形捕获率测试方法[J].计量学报，2010（6）：551?554.

[8] 张荣成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕获率观察偶发信号[J].电子设计技术，2011（8）：60?61.

[9] 汪进进.关于示波器捕获信号的基本原则及基本操作步骤[J].电子质量，2009（5）：15?18.