简述数字示波器死区时间和波形捕获率影响测量结果

　　什么是死区时间

　　　要想了解死区时间的来源，需要先对数字示波器的结构有一个基本的了解。数字示波器的典型组成框图如图1、图2所示。

　　图1：传统数字示波器组成框图。

　　图2：R&S公司RTO系列示波器组成框图。

　　被测信号通过输入通道进入示波器，并通过垂直系统中的衰减器和放大器加以调节。模数转换器（ADC）按照固定的时间间隔对信号进行采样，并将各个信号振幅转换成离散的数字值，称为“样本点”。采集模块随后则执行处理功能，例如样本抽取，默认一般都为采样模式。输出数据作为样本点（samples）存储在采集存储器中。存储的样点数目用户可以通过记录长度进行设置。

　　根据用户的需求，还可以对这些样本点进一步后处理。对于数字示波器而言，基本上对波形样本执行的处理步骤没有任何限制。这些后处理功能或者使用软件通过该仪器的主处理程序执行，或者使用专用的ASIC或FPGA硬件执行，具体取决于示波器的结构。最终结果随后通过示波器的显示屏呈现给用户。

　　从图1和图2中可以看到R&S RTO系列示波器和传统数字示波器的在信号处理过程上的区别，它使用了专门独立开发的ASIC芯片RTC和FPGA来实现波形样本的后处理，如通道校准、样本抽取、数字滤波、math、直方图测量、模板测试以及FFT、自动测量、协议解码等等，大大降低了主处理器的工作负荷，同时在RTO芯片中用数字触发取代了模拟触发电路，消除了模拟触发电路带来的触发抖动，传统的中高端示波器为了减小这部分抖动，需要大量的DSP后处理。硬件结构上的创新，极大的缩短了RTO示波器波形样本后处理所耗费的时间。

　 死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。通常也指pwm响应时间。 死区时间是指控制不到的时间域。在变频器里一般是指功率器件输出电压、电流的"0"区，在传动控制里一般是指电机正反向转换电压、电流的过零时间。死区时间当然越小越好。但是所以设置死区时间，是为了安全。因此又不可没有。最佳的设置是：在保证安全的前提下，越小越好。以不炸功率管、输出不短路为目的。

　　死区时间和捕获周期及波形捕获率关系

　　示波器的波形捕获率指单位时间内示波器所捕获的波形个数，每个波形可以由数百或更多个点构成。我们可以拿示波器的波形捕获率指标和数码相机的快门反应时间做个对应，示波器的波形捕获率快，可捕获偶发信号，数码相机快门反应时间快，可捕获精彩的瞬间。相机的快门时间指的是，从启动到快门反应的时间，若相机快门反应时间为0.8秒，则不需一秒钟的时间即可开始拍摄下一张图像。采用连拍模式，按住快门钮一般最多连续抓拍几张到十几张图像。如果使用高速摄像机，那么示波器的波形捕获率非常类似摄像机的一个指标，每秒钟帧数FPS （Frames Per Second），这里的帧就是画面， 譬如电影放映的标准是每秒放映24帧， 每秒钟帧数 （FPS） 愈多，所显示的动作就会愈流畅。

　　图3显示了一个波形捕获周期的示意图。捕获周期由有效捕获时间和死区时间周期组成。在有效捕获时间内，示波器按照用户设定波形样本数进行捕获，并将其写入采集存储器中。捕获的死区时间包含固定时间和可变时间两部分。固定时间具体取决于各个仪器的架构本身。可变时间则取决于处理所需的时间，它与设定的捕获样本数（记录长度）、水平刻度、采样率以及所选后处理功能（例如，插值、数学函数、测量和分析）多少都有直接关系。死区时间和捕获周期之比死区时间比也是示波器的一个重要特性，捕获周期的倒数就是波形捕获率。 [p]

　　图3：数字示波器的一个捕获周期。

　　例如，如果有效捕获时间是100ns（样本数为1k，采样率为10G），而死区时间是10ms，那么整个捕获周期所用的时间是10.0001ms。由此得到的死区时间比是99.999%，而波形捕获率是每秒不到100个波形。目前市场上大部分示波器在常规测量模式下面的波形捕获率都在几百次的量级，R&S公司最新的RTO系列示波器在同等条件下可以实现最高1，000，000次的波形捕获率，死区时间比可以降低到90%一下，远远要高出其他示波器。有些带宽≤1G的示波器在其最高采样率下，可以达到50，000次/秒的波形捕获率，其死区时间比也高达99.5%以上。

　　死区时间和波形捕获率对测量结果的影响

　　很多工程师在硬件调试过程中可能遇会到过这样的情形：在调试的后期阶段，电路板主要器件的焊接基本完成，在进行功能验证过程中，发现系统一运行没多久就会出故障，但是通过示波器查看关键的时钟和使能信号都“没有问题”，最终将故障原因定为在软件原因，然后逐行检查代码，进行软件优化。现在已经对示波器的死区时间已经有了清晰的认识，对于上面的情形还有一种可能就是示波器漏掉了导致系统故障的偶发信号，图4可以很形象的说明这一问题：

　　图4：示波器死区时间导致丢失关键偶发信号。

　　由于示波器死区时间的存在，导致示波器可能漏掉关键的异常信号，而给用户显示一个带有欺骗性的结果，最终误导用户的判断，会大大延长调试时间，降低调试效率。

　　根据公式1，如果波形捕获时间（即，样本数×分辨率，或10×水平刻度）、波形捕获率和信号事件发生速率（例如脉冲干扰的重复速率）均已确定，那么增加测量时间，会加大捕获并显示信号事件的概率：

　　公式1：

　　P：捕获偶发重复信号事件的概率［单位是%］

　　GlitchRate：信号故障频率（例如，重复脉冲干扰）［单位是1/s］

　　T：有效捕获时间或波形显示时间（记录长度/采样速率，或记录长度×分辨率，或10×时间量程/格）［单位是s］

　　AcqRate：波形捕获率［单位是wfms/s］

　　Tmeasure：测量时间［单位是s］

　　如果知道概率，对公式1进行变换，可以计算捕获该偶发信号所需时间：

　　公式2：

　　假定某个信号带一个有每秒重复10次的异常。该信号本身以数据形式显示在示波器上，所采用的水平刻度为10ns/div。如果所用显示屏有10个水平格，则可以计算100ns的有效捕获时间。为了确保捕获所需信号事件的置信度较高，需要使用99.9%的概率。现在，所需的测试时间取决于示波器的波形捕获率。下表统计了几种不同的波形捕获率所对应的所需测试时间。

　　表1：在概率为99.9%（T=100ns，GlitchRate=10/s）的条件下，捕获重复异常信号所需时间。

　　虽然R&S的RTO系列示波器在该条件下的死区时间比还有接近90%左右，但是相比于其他死去时间比在99.5%以上的示波器，其发现偶发异常信号能力确是成数量级的上升，可以帮助工程师极大的提高调试效率。试问：有几位工程师在检查每一个信号时可以在示波器上看超过7秒钟时间呢？

　　前面也提到，波形捕获率和水平刻度、记录长度、采样率的设置都有关系，在实际测量中，如何根据实际的被测信号在这些参数设置中找到一个平衡点，以最高的捕获概率查看波形，提高调试效率，这是工程师在数字示波器使用过程中需要考虑的问题，这一部分会在以后文章中专门讨论。