發(fā)展到今天,，傳統(tǒng)的模擬示波器已經(jīng)漸漸淡出了人們的視野,，數(shù)字示波器幾乎已經(jīng)取代模擬示波器成為硬件工程師手中電路調(diào)試的最常用的一種儀器設(shè)備了。你是否覺得示波器提供給了被測信號的所有信息呢,？事實上,，示波器在大部分時間都處在一個無法檢測信號的無信號狀態(tài)，通常把這段丟失信號的時間稱為死區(qū)時間,。
什么是死區(qū)時間
要想了解死區(qū)時間的來源,，需要先對數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)有一個基本的了解。數(shù)字示波器的典型組成框圖如圖1,、圖2所示,。
圖1：傳統(tǒng)數(shù)字示波器組成框圖。
圖2：R&S公司RTO系列示波器組成框圖,。
被測信號通過輸入通道進(jìn)入示波器,，并通過垂直系統(tǒng)中的衰減器和放大器加以調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)按照固定的時間間隔對信號進(jìn)行采樣,，并將各個信號振幅轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字值,，稱為“樣本點”。采集模塊隨后則執(zhí)行處理功能,，例如樣本抽取,，默認(rèn)一般都為采樣模式。輸出數(shù)據(jù)作為樣本點(samples)存儲在采集存儲器中,。存儲的樣點數(shù)目用戶可以通過記錄長度進(jìn)行設(shè)置,。
根據(jù)用戶的需求，還可以對這些樣本點進(jìn)一步后處理,。后處理任務(wù)包括算數(shù)功能(例如求平均值),、數(shù)學(xué)運算(例如FIR濾波)、自動測量(例如上升時間或下降時間)以及分析功能(例如直方圖或模板測試),。其他后處理例如還包括協(xié)議解碼,、抖動分析和矢量信號分析等等。
對于數(shù)字示波器而言,，基本上對波形樣本執(zhí)行的處理步驟沒有任何限制,。這些后處理功能或者使用軟件通過該儀器的主處理程序執(zhí)行,，或者使用專用的ASIC或FPGA硬件執(zhí)行，具體取決于示波器的結(jié)構(gòu),。最終結(jié)果隨后通過示波器的顯示屏呈現(xiàn)給用戶,。
從圖1和圖2中可以看到R&S RTO系列示波器和傳統(tǒng)數(shù)字示波器的在信號處理過程上的區(qū)別，它使用了專門獨立開發(fā)的ASIC芯片RTC和FPGA來實現(xiàn)波形樣本的后處理,，如通道校準(zhǔn),、樣本抽取、數(shù)字濾波,、math、直方圖測量,、模板測試以及FFT,、自動測量、協(xié)議解碼等等,，大大降低了主處理器的工作負(fù)荷,，同時在RTO芯片中用數(shù)字觸發(fā)取代了模擬觸發(fā)電路，消除了模擬觸發(fā)電路帶來的觸發(fā)抖動,，傳統(tǒng)的中高端示波器為了減小這部分抖動,，需要大量的DSP后處理。硬件結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新,，極大的縮短了RTO示波器波形樣本后處理所耗費的時間,。
示波器從信號采樣捕獲到波形樣本的處理顯示這一周期，稱為捕獲周期,，在前一個捕獲周期結(jié)束后,，示波器才能夠捕獲下一個新波形。所以,，數(shù)字示波器將捕獲周期的大部分時間都用于對波形樣本的后處理上,，在這一處理過程中，示波器就處于無信號狀態(tài),，無法繼續(xù)監(jiān)測被測信號,。從根本上來說，死區(qū)時間就是數(shù)字示波器對波形樣本后處理所需要的時間,。
死區(qū)時間和捕獲周期及波形捕獲率關(guān)系
圖3顯示了一個波形捕獲周期的示意圖,。捕獲周期由有效捕獲時間和死區(qū)時間周期組成。在有效捕獲時間內(nèi),，示波器按照用戶設(shè)定波形樣本數(shù)進(jìn)行捕獲,，并將其寫入采集存儲器中。捕獲的死區(qū)時間包含固定時間和可變時間兩部分,。固定時間具體取決于各個儀器的架構(gòu)本身,?？勺儠r間則取決于處理所需的時間，它與設(shè)定的捕獲樣本數(shù)(記錄長度),、水平刻度,、采樣率以及所選后處理功能(例如，插值,、數(shù)學(xué)函數(shù),、測量和分析)多少都有直接關(guān)系。死區(qū)時間和捕獲周期之比死區(qū)時間比也是示波器的一個重要特性,，捕獲周期的倒數(shù)就是波形捕獲率,。
圖3：數(shù)字示波器的一個捕獲周期。
死區(qū)時間和波形捕獲率對測量結(jié)果的影響
很多工程師在硬件調(diào)試過程中可能遇會到過這樣的情形：在調(diào)試的后期階段,，電路板主要器件的焊接基本完成,，在進(jìn)行功能驗證過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一運行沒多久就會出故障,，但是通過示波器查看關(guān)鍵的時鐘和使能信號都“沒有問題”,，最終將故障原因定為在軟件原因，然后逐行檢查代碼,，進(jìn)行軟件優(yōu)化?，F(xiàn)在已經(jīng)對示波器的死區(qū)時間已經(jīng)有了清晰的認(rèn)識，對于上面的情形還有一種可能就是示波器漏掉了導(dǎo)致系統(tǒng)故障的偶發(fā)信號,，圖4可以很形象的說明這一問題：
圖4：示波器死區(qū)時間導(dǎo)致丟失關(guān)鍵偶發(fā)信號,。
由于示波器死區(qū)時間的存在，導(dǎo)致示波器可能漏掉關(guān)鍵的異常信號,，而給用戶顯示一個帶有欺騙性的結(jié)果,，最終誤導(dǎo)用戶的判斷，會大大延長調(diào)試時間,，降低調(diào)試效率,。
根據(jù)公式1，如果波形捕獲時間(即,，樣本數(shù)×分辨率,，或10×水平刻度)、波形捕獲率和信號事件發(fā)生速率(例如脈沖干擾的重復(fù)速率)均已確定,，那么增加測量時間,，會加大捕獲并顯示信號事件的概率：
公式 1：
P：捕獲偶發(fā)重復(fù)信號事件的概率[單位是%]
GlitchRate：信號故障頻率(例如，重復(fù)脈沖干擾)[單位是1/s]
T：有效捕獲時間或波形顯示時間(記錄長度/采樣速率,，或記錄長度×分辨率,，或10×時間量程/格)[單位是s]
AcqRate：波形捕獲率[單位是wfms/s]
Tmeasure：測量時間[單位是s]
如果知道概率，對公式1進(jìn)行變換,，可以計算捕獲該偶發(fā)信號所需時間：
公式2：
假定某個信號帶一個有每秒重復(fù)10次的異常,。該信號本身以數(shù)據(jù)形式顯示在示波器上,，所采用的水平刻度為10ns/div。如果所用顯示屏有10個水平格,，則可以計算100ns的有效捕獲時間,。為了確保捕獲所需信號事件的置信度較高，需要使用99.9%的概率?，F(xiàn)在,，所需的測試時間取決于示波器的波形捕獲率。下表統(tǒng)計了幾種不同的波形捕獲率所對應(yīng)的所需測試時間,。
表1：在概率為99.9%(T=100ns,，GlitchRate=10/s)的條件下，捕獲重復(fù)異常信號所需時間,。
雖然R&S的RTO系列示波器在該條件下的死區(qū)時間比還有接近90%左右,，但是相比于其他死去時間比在99.5%以上的示波器，其發(fā)現(xiàn)偶發(fā)異常信號能力確是成數(shù)量級的上升,，可以幫助工程師極大的提高調(diào)試效率,。試問：有幾位工程師在檢查每一個信號時可以在示波器上看超過7秒鐘時間呢,？
前面也提到,，波形捕獲率和水平刻度、記錄長度,、采樣率的設(shè)置都有關(guān)系,，在實際測量中，如何根據(jù)實際的被測信號在這些參數(shù)設(shè)置中找到一個平衡點,，以最高的捕獲概率查看波形,，提高調(diào)試效率，這是工程師在數(shù)字示波器使用過程中需要考慮的問題,，這一部分會在以后文章中專門討論,。