您的示波器能發現偶發事件嗎?

您的示波器能發現偶發事件嗎?

為什麼波形更新率很重要

在評估購買哪一款示波器時，波形更新率至關重要。此規格經常被忽略，但它可能直接影響您擷取隨機和偶發事件的能力，而信號中出現該事件的機率僅百萬分之一。三個理由可說明何以最快速的波形更新速率，對當今的示波器很重要:

1.示波器效能:如果示波器的波形更新率太慢，使用起來將會非常困難。當您轉動時基控制鈕時，總希望示波器會立即做出反應，而不是要等上好幾秒，待示波器處理完資料以後才能反應。

2.詳細的顯示畫面:快速的波形更新速率可提升升示波器的信號顯示品質，以便钜細靡遺地呈現波形細節，例如藉由顯示強度調變功能呈現雜訊與抖動。

3.突波擷取率:快速的波形更新速率提高了示波器擷取信號中也許不可靠的隨機和偶發事件的機率。

波形更新速率是一項重要的規格，但更新速率規格本身可能會產生誤導。即使示波器的產品規格書標明瞭快速更新速率，它還是可能無法擷取系統中的突波。瞭解如何量測示波器的實際更新速率，然後比較不同品牌示波器間的突波擷取率和更新速率。

 

瞭解示波器盲區

在對新設計進行除錯時，波形和解碼更新速率非常重要一尤其是在嘗試搜尋不常出現或偶發的問題及對其進行除錯時。快速的波形與解碼更新速率，可提高示波器擷取到偶發事件的機率。為瞭解原因，您必須先認識何謂示波器「盲區(Dead Time 或Blind Time)。所有示波器都有盲區，如圖1所示。這是示波器擷取信號和處理先前攝取的波形，以在示波器螢幕上顯示兩者間的時間。在這段盲區內，示波器基本上對您正在除錯的設計中可能發生的任何信號活動都是「盲目」的。

圖1中標示的突波發生在示波器的盲區內。在兩個示波器擷取週期後，示波器的顯示螢幕上不會顯示這些突波。一旦知道儀器的更新速率，確定示波器的盲區百分比就很簡單。示波器的盲區百分比是示波器的攝取週期時間減去螢幕上擷取時間的比率，再除以示波器的擷取週期時間。示波器的擷取過期時間就是示波器波形更新速率的倒數，必須以所使用的特定設定條件進行量測。

示波器的盲區通常比其螢幕上的攝取時間要長好幾級一即使是具備快速更新速率的示波器可能也是如此。這意味要在示波器上擷即不常見的偶發事件，可以說是基於數個不同設定參數的可能性或機率的一種賭博。示波器上擷取隨機事件的機率和骰子滾動停止時出現特定數字的機率，兩者之間存在相同的類比。

從擲骰的經驗獲得啟發

當您將一個六面的骰子擲出一次時，特定一面朝上的機率是六分之一。那麽，如果您擲骰兩次，至少獲得一次特定面朝上的機率是多少?有些人可能會說是六分之二，即33.3%。如果這個邏輯成立，那擲骰10次就會有超過 100%的機率至少會有一次特定面朝上。然而，這是不可能的。投擲一個有「S」面的骰子「N」次後，至少出現一次特定面朝上的機率百分比(Py)，可以透過以下方程式確定:

要了解這個方程式，請考慮計算未出現特定面的機率。擲骰一次後不出現特定面朝上的機率是基於係數(S-1)IS。因此，對一個六面骰子是516。擲骰的次數越多(N)，不出現特定面朝上的機率就會呈現指數下降。這意味出現特定一面朝上的可能性增加，但這些可能性永遠不會達到或超過過100%的機率。

對示波器擷取機率而言，「S」是異常事件的平均發生時間和示波器顯示視窗時間的比率。例如，假設突被每10ms發生一次(每秒100次)，而示波器時基設定為20 nsidiv，則螢幕上的擷取視窗時間為 200 ms (因為螢幕上顯示10格)，而S=10 ms/200 ns，或50，000。

為了提高示波器在固定時間內擷取不常見突波的機率，示波器必須盡可能快速地多次擷取信號。示波器的波形更新速率就是因應此需求的對策。「N」，現在就是示波器擷取的次數，等於示波器的波形更新速率乘以合適的觀察時間。觀察時間是您願意在示波器顯示螢幕上查看波形，以確定在將探棒移動到另一個測試點之前是否正常的時間。

確定示波器的實際波形更新率

影響示波器的波形更新率的因素有很多，示波器的時基設定通常是影響更新速率的首要設定條件，因為它決定了擷取顯示的時間視窗。藉由將示波器時基設為每一格較長的時間，示波器可對更長的波形進行數位轉換。假設示波器在2ms 每格時的擷取時間是20ms，如果示波器的盲區為零(理論上是不可能的)，則絕對最佳條件下的波形更新率為每秒50個波波形(1/20ms)。所以，您的示波器的實際更新速率是多少?

為了了解示波器的實際波形和解碼更新速率，您必須在預期使用的各種設定條件下量測速率。這是一項簡單的任務，因為大多數示波器都提供觸發輸出信號一通常用來使其他儀器與示波器的觸發同步。您可以透過外部計數器來量測這個輸出觸發信號的平均頻率，進而量測示波器的更新速率。請記住，當作示波器輸入觸發源的信號之潛在觸發速率，必須超過示波器的預計更新速率。否則，較慢的觸發速率會限制示波器的更新速率。

表1、2和3分別對具有價格優勢的100MMHz、500MHz 和 1GHz頻寬示波器進行波形更新率比較。測試首先會採用每個示波器的預設設定條件，只開啟一個通道。藉由選擇最小的掃取記憶體(提供最大取樣速率)，記憶體深度可在每個時基範圍內最佳化。利用Keysight MegaZoom 技術可自動對記憶體深深度進行最佳化。

 

波形更新率量測結果(100MHz頻寬示波器)

波形更新率量測結果(500MHz頻寬示波器)

 

波形更新率量測結果(1GHz 頻寬示波器)

突波擷取率比較

使用上述機率和盲區方程式，可對兩個效能和價位相近的 1GHz 頻寬示波器進行量測比較。我們的比較包括了一個產生隨機亞穩態信號(偶發突波)的電路，採用每個示波器的預設設定「Defauit Setupj選項平均每秒大約產生五次。由於突波寛度在5至15ns之間，因此適合本次量測的最佳時基設定為10 ns/dive為了獲取每個示波器最快的波形更新率，請勿開啟量測、波形運算、串列匯流排分析或數位通道擷取等功能。

此外，每台示波器均開啟5秒鐘的變數持續續性，這並不會影響示波器的最佳狀況(best-case)波形更新率。使用示波器的預設「上升信號緣」觸發條件，觸發位準設為~68mV，如果在示波器擷取過程中突波發生，我們可以在接近螢幕中央觀察到亞穩態。為了確定示波器擷取到突波的機率，在計算時我們假定5秒是合適的觀察時間。

在圖3中，Keysight 3000 X系列示波能夠在五秒內連貫地擷取並顯示隨機和偶發的亞穩態。

透過以下公式可算出 Keysight 3000X系列示波器的這項量測的盲區百分比:

當時基設為每格10.ns時，示波器的盲區百分比約為 90%，感覺上好像很長，實際上在5秒內攝取突波的機率非常高。此示波器的擷取突波機率可由以下計算確定，其中U和W與上述值相同:

 

使用Tektronix MDQ3000系列示波器，結果顥著不同，如圖4和圖5所示。儘管示波器「標榜」的波形更新率在正常IDPO擷取模式下大於每秒 50，000個波形，但當時基設為每格10.ns時，最大更新速率僅為每秒2，200個波形，如上表2所示。這比先前提到的Keysight 3000 T/G系列示波慢了約468倍開啟FastAcq， 擷取模式可將更新速率提高到每秒280，000 個波形，但會拖慢示波器，並妨礙其同時執行其他功能的能力。例如，在使用FastAcq時，「Snapshot All Measurements」功能會被停用。

 

Tektronix MDO3000 系列示波器正常/DPO擷取模式和FastAcq 擷取模式的盲區百分比如下:

 

以下是使用Tektronix MD03000系列示波器正常/DPO擷取模式和 FastAcq擷取模式，在5秒鐘的觀察時間後擷取突波的機率計算。w的值仍同上。

在5秒的觀察時間後，我們便無法法透過 Tektronix 示波器觀察到偶發亞穩態，因為盲區ki 長和更新速率太慢，導致擷取突波的機率變得極低。在實際應用設定中，只有當您懷疑信號可能存在問題時，Tektronix 示波器最終才會擷取偶發突波 - 您可以等待它被擷取。

 

結語

更新速率直接決定了示波器的盲區百分比，以及擷取和顯示隨機電路問題的機率。請注意比較示波器標榜的更新速率規格，因為在某些應用中可能無法達到該速率。

本白皮書主要關述了當使用類比擷取通道時，示波器的最佳波形更新率比較。在使用數位擷取通道和/或串列匯流排解碼時，大多數示波器的波形更新率都會明顯下降，特別是在啟用深度記憶體後。

Keysight InfinilVision 系列示波器提供業界最快的波形更新速率，僅使用示波器通道時，其速率可達每秒1，000，000個波形。此外，使用邏輯取通道和/或串列匯流排解碼功能時，它們的波形更新速率絲毫不受影響，其他MSO競爭產品完全望塵莫及。透過更高度的硬體整合(MegaZoom 技術)，InfinilVision DSO MSO將示波器盲區降至最低，進而獲得最快且不會影響效能的更新率，提高系統擷取到突波的機率。

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