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          工程師你發現了ZDS2022示波器的波形死區嗎?

          文章出處:深圳市連訊達電子技術開發有限公司 人氣:-發表時間:2015-10-19 19:49:00

               沒有什么是完美的,示波器也不例外。數字示波器一直有個廠家不愿提起的問題,恐怕很多老工程師也沒太注意,那就是波形死區。我們通過數字示波器無法觀察到波形流中所有波形,觀察到的或許還不到1%。

                圖1 死區時間

            圖1 死區時間

            數字示波器在工作時總會先采集數據,然后再對這些數據進行處理和顯示,有一點必須了解,那就是示波器數據取樣速度遠快于數據處理速度,使得它不得不在數據處理期間停止取樣,這樣必然導致死區t2內的所有波形因沒有采集而丟失,示波器的基本原理如圖2所示。

              圖2 示波器原理

            圖2 示波器原理

            與示波器死區時間對應的參數是示波器的波形刷新率,又叫波形捕獲率,示波器在特定時基本下的波形刷新率是可通過Trigger Out接口去測得,示波器的波形刷新率越高越好。

            波形刷新率F = 1/(t1+t2) (wfms/s)

            在特定時基檔位下,波形時間t1是確定的,那么波形刷新率越高,就意味著波形死區時間越短,漏掉的波形越少。例如對于T公司的MSO4054而言,它在時基為50ns/div時基下,波形刷新率可達到最高50kwfms/s,那么每秒的波形時間等于50*10*50000 = 25ms,死區時間為975ms,故而波形死區高達97.5%,用戶觀察到的有效波形僅占全部波形的2.5%。

              圖3 50kwfms/s波形刷新率下觀察的波形信息

            圖3 50kwfms/s波形刷新率下觀察的波形信息

            ZLG的ZDS2022示波器同樣在50ns/div時基下,波形刷新率卻能達到330,000wfms/s,使每秒波形時間長達231ms,約T公司MSO4054的9.24倍。用兩臺示波器觀察同一個信號,時基均調到200ns/div時,ZLG的ZDS2022能更短時間內發現信號異常,但是MSO4054卻不能。

            圖4 330,000wfms/s波形刷新率下觀察的波形信息

            圖4 330,000wfms/s波形刷新率下觀察的波形信息

            如今,仍然有許多工程師還繼續用模擬示波器,因為模擬示波器不會存在波形死區,卻也存在其他的不足,比如無法做數據統計分析,無法記錄等,這也是模擬示波器用戶越來越少的原因。為了減少波形死區對信號分析的影響,建議在購買示波器時務必選擇高波形刷新率的示波器。

            而很多示波器用戶無不關心示波器的刷新率指標,近期我司FAE在與客戶交流時,很多客戶對ZDS2022示波器具有33萬次幀/秒的高刷新率很感興趣,這樣高的刷新率到底是怎樣做出來的呢?

            什么是波形刷新率?

            波形刷新率又叫波形捕獲率,指的是每秒鐘波形刷新的次數,表示為波形數每秒(wfms/s)。事實上,示波器從采集信號到屏幕上顯示出信號波形的過程,是由若干個捕獲周期組成的。一個捕獲周期包括采樣時間和死區時間,模擬信號通過ADC采樣量化變轉為數字信號同時存儲,整個采樣存儲過程的時間稱為采樣時間。示波器必須對存儲的數據進行測量運算顯示等處理,才能開始下一次的采樣,這段時間稱為死區時間。死區時間內,示波器并沒有進行波形采集。一個捕獲周期完成就會進入下一個捕獲周期。捕獲周期的倒數就是波形刷新率,如圖1.1中所示,波形刷新率=1/(Tacq+Tdeat)。

              圖5 示波器采樣過程示意圖

            圖5 示波器采樣過程示意圖

            影響波形刷新率的因素有哪些?

            采樣時間和死區時間

            如圖5中所示,波形刷新率為Tacq(采樣時間)和Tdeat(死區時間)的倒數,其中采樣時間由示波器屏幕的采樣窗格決定,用水平時基檔位乘以水平方向格數,當水平時基確定后,采樣時間就會固定。

            而死區時間是由示波器的處理能力決定的,當示波器對數據處理能力不足時,就會對采集的大數據不能及時進行處理,死區時間就會變長,刷新率就會降低;當示波器對數據的處理能力很強時,死區時間就會變短,相應刷新率就會很高。因此死區時間是影響刷新率的重要因素。

            觸發釋抑時間

            增大觸發釋抑時間相當于變相地增加了死區時間,因為在釋抑期間,觸發電路封閉,觸發功能暫停,即使有滿足觸發條件的信號波形示波器也不會觸發,所以也會影響刷新率。但觸發釋抑時間并非指死區時間。

            當對大周期重復波形進行觸發時,由于波形中存在很多滿足觸發條件的波形點,導致觸發波形不穩定,為了得到穩定觸發的波形,我們可以設置觸發釋抑時間,使波形每次都在同一個點觸發,穩定顯示觸發波形。如圖1.2中,可將釋抑時間設置為》200ns但《600ns的值。

              圖6  觸發釋抑時間

            圖6  觸發釋抑時間

            該如何計算死區時間?

            對刷新率有重要影響的死區時間是如何計算出來的呢?

            當捕捉一個脈寬在40ns~60ns的異常脈沖時,合適的水平時基檔位可設在50ns/格,此時ZDS2022示波器具有33萬次幀/秒的波形刷新率,意味著每次觸發采樣占用的總捕獲時間T=1s/330KHz=3.03us,則有效的采樣時間為50ns/divX14(ZDS2022示波器水平方向有14個格)=700ns。那么死區時間百分比為(3030-700)/3030=76.89%。

            捕獲相同的異常脈沖,在相同時基檔位下,若T示波器具有50K幀/秒的刷新率,則就意味著每次觸發采樣占用的總時間為,T=1S/50KHz=20us,有效的采樣時間為50ns/divX10(該示波器水平方向有10個格)=500ns,則死區時間百分比為(20000-500)/20000=97.5%。

            死區時間越長,捕獲到偶發信號的概率就會越低,當小概率異常波形出現在死區時間時,示波器就不會捕獲到該異常,對信號的調試會產生很大影響。

            ZDS2022示波器如何能做到高刷新率

            那么為什么ZDS2022示波器能夠做到高達33萬次幀/秒的刷新率呢?死區時間低至76.89%,比一般示波器97.5%的死區時間竟然低了21.13%!

             圖7 波形合成器框圖

            圖7 波形合成器框圖

            ZDS2022示波器采用超大規模FPGA進行波形合成,都是全硬件加速處理;

            ZDS2022示波器采用超大規模FPGA集成波形顯存,總線帶寬高,使數據處理時間大大減少,且采用了多線程并行處理的方式;

            ZDS2022示波器的波形合成全都采用優化算法進行處理。

            總結

            示波器的刷新率直接決定了捕獲異常毛刺的能力,只有真正掌握了刷新率的本質,才能正確認識示波器的刷新率指標,ZDS2022示波器具有33萬次幀/秒的刷新率,能快速捕獲波形異常,高效實用!說再多,也不如您親自測一測!


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