如何提高找出偶發(fā)毛刺的幾率

工程師在評(píng)測(cè)各個(gè)示波器的性能時(shí)往往會(huì)忽略波形捕獲率，但這個(gè)指標(biāo)極其重要——有時(shí)與廠商標(biāo)榜的傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)同樣重要。在顯示屏上查看重復(fù)捕獲的波形時(shí)，該示波器的波形捕獲率可能看上去很快，但這種“快速”也是相對(duì)的。

了解示波器靜寂時(shí)間

圖 1. 示波器靜寂時(shí)間和捕獲時(shí)間

在您調(diào)試新設(shè)計(jì)時(shí)，波形和解碼捕獲率極為重要，尤其是當(dāng)您嘗試找出并調(diào)試偶發(fā)或間歇發(fā)生的異常時(shí)，這是最難解決的問(wèn)題。

請(qǐng)注意圖 1 中突出顯示的毛刺發(fā)生在示波器的靜寂時(shí)間內(nèi)。在兩次示波器采集周期之后，這些毛刺不會(huì)在示波器屏幕上顯示。當(dāng)您知道設(shè)備的捕獲速率時(shí)，可輕松計(jì)算示波器的靜寂時(shí)間百分比。

毛刺捕獲比較

使用幾率方程和靜寂時(shí)間方程式，可以對(duì)兩個(gè)具有相似性能特征和價(jià)位的 500-MHz 帶寬示波器進(jìn)行測(cè)量比較。

在進(jìn)行比較測(cè)量時(shí)，使用真實(shí)電路來(lái)生成一個(gè)隨機(jī)亞穩(wěn)狀態(tài)（偶發(fā)毛刺），平均每秒生成大約 5 次。分別啟用每個(gè)示波器的默認(rèn)設(shè)置（Default Setup）。

由于我們需要觀察的毛刺長(zhǎng)度為 5至 15 ns 的跨度，因此針對(duì)這個(gè)特定測(cè)量，我們將時(shí)基設(shè)置為最佳的 10 ns/ 格。為了能讓每個(gè)示波器實(shí)現(xiàn)最高捕獲率，我也沒(méi)有開(kāi)啟其他的特殊功能，比如測(cè)量、波形運(yùn)算、串行總線分析，或數(shù)字通道采集等。

每個(gè)示波器開(kāi)啟 5 秒鐘的余輝，但這不會(huì)影響它的最佳波形捕獲率。使用示波器的默認(rèn)上升邊沿觸發(fā)條件，觸發(fā)電平設(shè)為 +1.40 V；在采集過(guò)程中出現(xiàn)的亞穩(wěn)狀態(tài)可以在屏幕中央看到。為了確定示波器捕獲毛刺的幾率，在計(jì)算中假定 5 秒是合適的觀察時(shí)間。

從圖 3 中可以看到 Keysight 3000 X 系列示波器以1,000,000 個(gè)波形/ 秒的波形捕獲率能夠在 5 秒鐘內(nèi)可靠地捕獲多次隨機(jī)和偶發(fā)亞穩(wěn)狀態(tài)。

通過(guò)以下計(jì)算方程可以算出 Keysight 3000 X 系列示波器的靜寂時(shí)間百分比：

% DT = 100 x (1 – (1,000,000/s x 100 ns))= 90%

當(dāng)時(shí)基設(shè)置為 10 ns/ 格時(shí)，盡管示波器的靜寂時(shí)間百分比約為90%，可能感覺(jué)會(huì)顯得過(guò)長(zhǎng)，但在 5 秒內(nèi)捕獲毛刺的幾率實(shí)際上非常高，通過(guò)以下幾率計(jì)算方程得出：

P(5s) = 100 x (1 – [1 – (5/s x 100 ns)](1,000,000/s x 5s))= 91.8%

使用 Tektronix DPO/MSO3000 系列信號(hào)示波器，測(cè)量結(jié)果有很大差異，如圖 4 所示。盡管該示波器所宣稱的波形捕獲率高達(dá)55,000 個(gè)波形/ 秒，但是當(dāng)我們?cè)?10 ns/ 格進(jìn)行操作時(shí)，其最大捕獲率僅為 2,600 個(gè)波形/ 秒。

下面是在相同測(cè)量條件下，Tektronix MSO3000 系列示波器的靜寂時(shí)間百分比：

% DT = 100 x (1 - (2600/s x 100 ns)) = 99.97%

在 5 秒鐘過(guò)后，通過(guò) Tektronix 示波器我們無(wú)法觀察到偶發(fā)亞穩(wěn)狀態(tài)。原因是靜寂時(shí)間太長(zhǎng)，從而導(dǎo)致捕獲毛刺的幾率極低。

假設(shè)信號(hào)中的問(wèn)題信號(hào)發(fā)生概率較低，并且您愿意等，那么該示波器最終會(huì)捕獲到這個(gè)亞穩(wěn)狀態(tài)。

以下是使用 Tektronix DPO/MSO3000 系列示波器時(shí)在 5 秒觀察時(shí)間后捕獲毛刺的幾率。

P(5s) = 100 x (1 – [1 – (5/s x 100 ns)](2600/s x5s))= 0.65%

圖 3. 當(dāng)捕獲率為每秒鐘 1,000,000 個(gè)波形時(shí)，Keysight MSO/DSO3000 X系列示波器可靠地捕獲偶發(fā)亞穩(wěn)狀態(tài)。

圖 4. 當(dāng)捕獲率為每秒鐘 2,600 個(gè)波形時(shí)，Tektronix DPO/MSO3000 系列示波器無(wú)法捕獲偶發(fā)亞穩(wěn)狀態(tài)。

確定示波器的實(shí)際波形捕獲率

影響示波器的波形捕獲率的因素有很多。示波器廠商往往只突出宣傳示波器的“優(yōu)點(diǎn)”或最佳情況下的波形捕獲速率，而這通常只會(huì)在極為有限的設(shè)置條件下才能達(dá)到。

示波器的時(shí)基設(shè)置通常是影響捕獲率的首要設(shè)置條件，這是因?yàn)闀r(shí)基設(shè)置決定了采集顯示的時(shí)間窗口。把示波器的時(shí)基設(shè)為較長(zhǎng)的時(shí)間/ 格設(shè)置時(shí)，示波器可對(duì)更長(zhǎng)的波形進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。

總結(jié)

如果找出并調(diào)試隨機(jī)和偶發(fā)異常對(duì)您來(lái)說(shuō)非常重要，那么在選擇測(cè)量所用的示波器時(shí)，必須考慮波形捕獲率這個(gè)因素。捕獲率直接決定著示波器捕獲和顯示隨機(jī)電路問(wèn)題的幾率。