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)。