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工程师你发现了ZDS2022示波器的波形死区吗?

文章出处:深圳市连讯达电子技术开发有限公司 人气:-发表时间:2015-10-19 19:49:00

     没有什么是完美的,示波器也不例外。数字示波器一直有个厂家不愿提起的问题,恐怕很多老工程师也没太注意,那就是波形死区。我们通过数字示波器无法观察到波形流中所有波形,观察到的或许还不到1%。

      图1 死区时间

  图1 死区时间

  数字示波器在工作时总会先采集数据,然后再对这些数据进行处理和显示,有一点必须了解,那就是示波器数据取样速度远快于数据处理速度,使得它不得不在数据处理期间停止取样,这样必然导致死区t2内的所有波形因没有采集而丢失,示波器的基本原理如图2所示。

    图2 示波器原理

  图2 示波器原理

  与示波器死区时间对应的参数是示波器的波形刷新率,又叫波形捕获率,示波器在特定时基本下的波形刷新率是可通过Trigger Out接口去测得,示波器的波形刷新率越高越好。

  波形刷新率F = 1/(t1+t2) (wfms/s)

  在特定时基档位下,波形时间t1是确定的,那么波形刷新率越高,就意味着波形死区时间越短,漏掉的波形越少。例如对于T公司的MSO4054而言,它在时基为50ns/div时基下,波形刷新率可达到最高50kwfms/s,那么每秒的波形时间等于50*10*50000 = 25ms,死区时间为975ms,故而波形死区高达97.5%,用户观察到的有效波形仅占全部波形的2.5%。

    图3 50kwfms/s波形刷新率下观察的波形信息

  图3 50kwfms/s波形刷新率下观察的波形信息

  ZLG的ZDS2022示波器同样在50ns/div时基下,波形刷新率却能达到330,000wfms/s,使每秒波形时间长达231ms,约T公司MSO4054的9.24倍。用两台示波器观察同一个信号,时基均调到200ns/div时,ZLG的ZDS2022能更短时间内发现信号异常,但是MSO4054却不能。

  图4 330,000wfms/s波形刷新率下观察的波形信息

  图4 330,000wfms/s波形刷新率下观察的波形信息

  如今,仍然有许多工程师还继续用模拟示波器,因为模拟示波器不会存在波形死区,却也存在其他的不足,比如无法做数据统计分析,无法记录等,这也是模拟示波器用户越来越少的原因。为了减少波形死区对信号分析的影响,建议在购买示波器时务必选择高波形刷新率的示波器。

  而很多示波器用户无不关心示波器的刷新率指标,近期我司FAE在与客户交流时,很多客户对ZDS2022示波器具有33万次帧/秒的高刷新率很感兴趣,这样高的刷新率到底是怎样做出来的呢?

  什么是波形刷新率?

  波形刷新率又叫波形捕获率,指的是每秒钟波形刷新的次数,表示为波形数每秒(wfms/s)。事实上,示波器从采集信号到屏幕上显示出信号波形的过程,是由若干个捕获周期组成的。一个捕获周期包括采样时间和死区时间,模拟信号通过ADC采样量化变转为数字信号同时存储,整个采样存储过程的时间称为采样时间。示波器必须对存储的数据进行测量运算显示等处理,才能开始下一次的采样,这段时间称为死区时间。死区时间内,示波器并没有进行波形采集。一个捕获周期完成就会进入下一个捕获周期。捕获周期的倒数就是波形刷新率,如图1.1中所示,波形刷新率=1/(Tacq+Tdeat)。

    图5 示波器采样过程示意图

  图5 示波器采样过程示意图

  影响波形刷新率的因素有哪些?

  采样时间和死区时间

  如图5中所示,波形刷新率为Tacq(采样时间)和Tdeat(死区时间)的倒数,其中采样时间由示波器屏幕的采样窗格决定,用水平时基档位乘以水平方向格数,当水平时基确定后,采样时间就会固定。

  而死区时间是由示波器的处理能力决定的,当示波器对数据处理能力不足时,就会对采集的大数据不能及时进行处理,死区时间就会变长,刷新率就会降低;当示波器对数据的处理能力很强时,死区时间就会变短,相应刷新率就会很高。因此死区时间是影响刷新率的重要因素。

  触发释抑时间

  增大触发释抑时间相当于变相地增加了死区时间,因为在释抑期间,触发电路封闭,触发功能暂停,即使有满足触发条件的信号波形示波器也不会触发,所以也会影响刷新率。但触发释抑时间并非指死区时间。

  当对大周期重复波形进行触发时,由于波形中存在很多满足触发条件的波形点,导致触发波形不稳定,为了得到稳定触发的波形,我们可以设置触发释抑时间,使波形每次都在同一个点触发,稳定显示触发波形。如图1.2中,可将释抑时间设置为》200ns但《600ns的值。

    图6  触发释抑时间

  图6  触发释抑时间

  该如何计算死区时间?

  对刷新率有重要影响的死区时间是如何计算出来的呢?

  当捕捉一个脉宽在40ns~60ns的异常脉冲时,合适的水平时基档位可设在50ns/格,此时ZDS2022示波器具有33万次帧/秒的波形刷新率,意味着每次触发采样占用的总捕获时间T=1s/330KHz=3.03us,则有效的采样时间为50ns/divX14(ZDS2022示波器水平方向有14个格)=700ns。那么死区时间百分比为(3030-700)/3030=76.89%。

  捕获相同的异常脉冲,在相同时基档位下,若T示波器具有50K帧/秒的刷新率,则就意味着每次触发采样占用的总时间为,T=1S/50KHz=20us,有效的采样时间为50ns/divX10(该示波器水平方向有10个格)=500ns,则死区时间百分比为(20000-500)/20000=97.5%。

  死区时间越长,捕获到偶发信号的概率就会越低,当小概率异常波形出现在死区时间时,示波器就不会捕获到该异常,对信号的调试会产生很大影响。

  ZDS2022示波器如何能做到高刷新率

  那么为什么ZDS2022示波器能够做到高达33万次帧/秒的刷新率呢?死区时间低至76.89%,比一般示波器97.5%的死区时间竟然低了21.13%!

   图7 波形合成器框图

  图7 波形合成器框图

  ZDS2022示波器采用超大规模FPGA进行波形合成,都是全硬件加速处理;

  ZDS2022示波器采用超大规模FPGA集成波形显存,总线带宽高,使数据处理时间大大减少,且采用了多线程并行处理的方式;

  ZDS2022示波器的波形合成全都采用优化算法进行处理。

  总结

  示波器的刷新率直接决定了捕获异常毛刺的能力,只有真正掌握了刷新率的本质,才能正确认识示波器的刷新率指标,ZDS2022示波器具有33万次帧/秒的刷新率,能快速捕获波形异常,高效实用!说再多,也不如您亲自测一测!


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