为什么示波器的波形更新率非常重要

改进您捕获难解事件的能力：

为什么示波器的波形更新率非常重要？

应用指南 1551

目次

引言............................................1用实时采样捕获亚稳态. (2)

使用专门的采集模式......................4定义完整波形 (5)

比较波形数/秒............................6总结 ...........................................7术语............................................7附录A: 实时更新率表.................8附录B: 等效时间更新率表........11支持，服务和帮助 (13)

引言

带宽、采样率和存储器深度是工程师选择数字示波器时最常使用的评估指标。波形更新率则是另一项重要的考虑因素。示波器采集波形和更新显示的速率确定了捕获到随机和偶发事件，例如毛刺的概率。这篇应用指南通过调试应用 试图捕获随机和偶发产生的亚稳态 来说明波形更新率的重要性。通过使用各种采集模式，我们比较来自三个厂家，具有类似带宽和价格竞争的四种示波器的波形更新率。

当您评估示波器时，其反应能力会影响您的决定。为正确感受示波器反应是否敏捷，只需探测相对快的重复信号和观看其反应。如果示波器的显示更新太慢，就会感到这台示波器非常迟钝，因而极不好用。今天一些有较深存储器的示波器就属于这种情况，因为处理深存储器记录而减慢了更新率。一般来说，如果示波器显示达到至少每秒二十次更新，所显示的波形将表现为“实况”，并感觉示波器反应敏捷。但波形更新率的重要性远不止是反应能力这一个方面。“实况”感觉并不能说明示波器捕获到偶发和随机事件的概率。

今天的一些示波器厂商宣称更新率达到数十万波形/秒的量级。但人眼并不能辨析这一量级的差别。当您调试高速数字电路时，由于能增加捕获偶发事件的概率，因此示波器更新率达到这一量级至关重要。

如果您要观察的是精确重复的信号（无异常），那么极快的更新率并不很重要。但当信号并非精确重复 即有异常产生时 随机和偶发产生的事件会使您大伤脑筋。更快的更新率能提高捕获到难解事件的概率，为您的调试提供帮助。

即

根据最小脉冲宽度设置示波器从

而可靠捕获示波器各次采集上的毛

刺。但如果您不知道毛刺的存在，就

可能只是简单探查设计中的不同信

号来验证正确的信号保真度，因此

示波器设置在标准的上升或下降沿

条件上触发。

由于它们相对慢的更新率，大

多数示波器为捕获偶发事件，需要

采集远不止是几秒的数据。如果您

打算用一般调试方法，在每一测试

点上探测几秒钟，并想捕获到各结

点上可能产生的偶发事件，示波器

就必须有极快的更新率。

图1是用 Agilent's 6000系列示

波器捕获到的毛刺，该示波器甚至

能在带sin(x)/x重建时，用实时采样

达到100,000次/秒的波形更新。在

这一更新率下，示波器捕获到该特

用实时采样捕获亚稳态

定信号的统计概率约为每秒二次。

采用专有MegaZoom III技术的

Agilent示波器实现了这一业内领先

的更新率。

一旦我们发现电路存在非预期

的行为，就可开始进一步调试我们

的系统。使用混合信号示波器

（MSO）的逻辑通道，就能设置跨多

个模拟和数字通道的组合逻辑码型

触发条件。它揭示由于时钟抖动，我

们的系统偶尔出现对建立保持时

间指标的超差，如图2所示。

图1. Agilent MSO6000 系列示波器用实时采样捕获到的偶发亚稳态。

2

图2.码型触发揭示建立—保持时间超差图3是尝试用T e k t r o n i x TDS3000系列示波器捕获同样的异常事件，该示波器采用默认的实时采集模式，具有10 k点的最大存储器。由于在此特定条件下的示波器更新不到每秒 800 次，把探头放在测试点上 10 秒后，我们未捕获到任何异常。在这一更新率下，一般需要在该测试点上探测 1分钟，才能捕获到每 50,000个周期平均仅产生一次的一个偶发毛刺。

如果您猜想可能存在偶发毛刺，而让示波器处于快触发模式，该模式把示波器的存储器深度为500点，以提高其更新率。因此在调

试数字系统时，您必须确定是采样

率和存储器深度，还是更新率更为

重要。但即使是在采集的专门快触

发模式，此设置（10 ns/div）下也仅

把更新率改进到约3,000波形/秒，为

捕获到一个毛刺，需要保持探头与

测试点约20 秒的接触。如果您打算

用一般调试方法，在每一测试点上

探测几秒钟，使用任何一种采集模

式都可能丢失这一事件。

图 4 是使用 Tektronix高性能

TDS5000 系列示波器的类似例子，

它有100,000波形/秒的标志性波形

3

更新率指标。但由于其默认的实时

采集更新率被为只有60波形/

秒，因此捕获到该异常仍仅有很低

的概率。虽然60波形/秒对于示波

器的“实况”感觉是足够快的，但为

捕获到仅仅一个毛刺，需要把探头

放在测试点上的平均时间将近 14 分

钟。

图3. Tektronix TDS3000系列示波器在10分钟的采集时间后未捕获到该亚稳态图4. Tektronix TDS5000系列示波器使用实时采样在10分钟后未捕

获到该亚稳态

图5是尝试用LeCroy WaveSurfer 400 系列示波器默认的实时采集模式捕获同样的异常事件。由于在此时基设置下示波器的实时更新率仅165波形/秒，把探头放在测试点上10 秒后，我们未捕获到任何异常。为使用LeCroy WaveSurfer 示波器捕获该毛刺，需要在该测试点上探测将近5分钟。

使用专门的采集模式

在使用四种不同示波器实时采集模式的上述例子中，只有采用MegaZoom 技术的 Agilent MSO6000系列示波器能可靠捕获偶发的亚稳态（图1）。但使用其它“专门”采集模式时情况又会如何呢？如前所述，Tektronix TDS5000 系列示波器宣称具有高于100,000波形/秒的标志性波形更新率指标。该更新率对捕获偶发事件（50,000周期中的1个）应是足够的。使用 Tektronix 的FastAcq 采集模式，TDS5000系列示波器确能以超过100,000/秒的采集捕获波形，如图6所示。但为使用这一工作模式，您必须作出多方面的权衡。该FastAcq 模式：

把示波器的最大采样率为1.25 GSa/s 存储器深度禁用波形运算禁用 sin(x)/x 重建禁用点连接

禁用对捕获波形的平移和缩放能力

FastAcq 基本上是一种专门的等效时间/重复采样模式，在功能和性能上有许多权衡。在您使用这种模式时要了解这些权衡。使用这一专门的采集模式，我们能够可靠捕获偶发的亚稳态，在显示上示出的结果是离散点 而不是完整的波形。

图5. LeCroy 400系列示波器使用实时采样在10分钟后未捕获到该亚稳态

图6. Tektronix TDS5000 系列示波器使用FastAcq 采集，能通过等效时间采样捕获到偶发亚稳态

4

并非所有建立的波形都相同。您如何定义一个完整的波形？根据定义，当您使用带重建sin(x)/x的实时采样时，每一次采集将产生一个包括最小为500至1000点的完整波形。但当您使用等效时间/重复采样，包括TDS5000系列示波器的Tektronix的FastAcq模式时，各重复采集周期将产生不完整的波形，越快的时基范围上有越宽的样本间距。以200 ps/div为例，Tektronix的FastAcq模式在每一个采集周期只产生2.5点（平均），这是因为示波器被为只有1.25GSa/s的最大采样率。这样的点数对于定义一个完整波形是不足的。虽然这些示波器在使用FastAcq时能保持超过100,000采集/秒的采集率，但在此设置下并不能每秒产生100,000个完整波形。因此为比较使用等效时间采样技术

的各种竞争示波器的波形/秒，必须

规范为在较快时基范围的采集率，

从而计算“完整”波形/秒的更新率。

在这篇应用指南中为进行有实

际意义的比较，我们把完整波形的

标准定为最小500 点。在10 ns/div

（这是捕获我们亚稳态所用的时基设

置）时，Tektronix的FastAcq模式有

140,000采集/秒的测量采集率。但

由于该采集模式把示波器的最大采

样率为仅1.25 GSa/s，因此每次

采集只产生125点。如果我们使用

500点的规范化系数，可看到

Tektronix示波器约每秒产生35,000

个完整的或规范化的波形（采集率/

[500点/每次采集的采集点数]），这

是相当不错的，但它约为此设置时

Agilent MSO6000系列示波器波形更

新率的1/3 而且对Agilent示波器

来说，您不需要选择专门的采集模

式，以及由此带来的权衡。

5

除了选择采集模式外，许多其它设置条件的变化都会影响示波器的更新率，包括时基范围、测量、有效通道数、存储器，以及显示波形的复杂程度等。图 7示出作为时基设置函数的波形数/秒，所有4种示波器都使用其最快的采集模式。在这一波形更新率测试中，为收集数据的设置条件作了优化，以展示各种示波器在最好条件下的更新率性能。这些设置条件包括单通道采集，触发参考点在中心屏幕处，以及测量和波形运算关。

2种Tektronix 示波器为得到最快更新率，TDS3000系列示波器需选择专门的快触发模式，TDS5000系列示波器需选择FastAcq 模式。LeCroy WaveSurfer 示波器使用等效时间采样。而Agilent 6000系列示波器实现最快更新率不需要选择专门的工作模式。Agilent 示波器使用带sin(x)/x 和点连接（矢量）的默认实时采样模式得到其整体上最快的更新率。虽然 Tektronix 的FastAcq 模式接近 Agilent 6000系列示波器的性能，对于捕获偶发的亚稳态不失为一种好的选择，但您应知道在使用这一专门工作模式时，必须考虑在性能和功能上作出的权衡。

图 7. 作为时基设置函数的各示波器最快波形更新率模式图 8. 使用各示波器默认实时采样模式的波形更新率

比较波形数/秒

作为比较，图 8 是所有4种示波器在使用各自默认实时采集模式时的每秒波形更新率图。注意图中垂直刻度是对数坐标。在大多数情况下，当使用默认实时采样模式时，Agilent MSO6000系列示波器达到的更新率要比竞争示波器快几个数量级。

图7和图8更新率图中使用的测量和计算数据见本文附录A 和附录B ，包括图中未示出的Agilent 等效时间模式。

6

等效时间采样 重复使用多个采集周期数字化输入信号

FastAcq 某些Tektronix 示波器使用的一种专门的等效时间采样模式，它

可改进更新率，但会牺牲示波器的采集性能和功能。

MegaZoom III Agilent 专利第三代示波器技术，在使用深存储器时提供快更新率和高分辨率显示质量

亚稳态 数字电路的一种不稳定输出条件，通常由输入的建立和/或保持时间超差造成，并作为毛刺出现。

混合信号示波器 (MSO) 一种具有附加逻辑定时分析通道的示波器，能建立跨模拟和数字输入的时相关和组合触发

实时采样 使用高采样率由单次采集数字化输入信号

Sin(x)/x 重建 重建实时采样波形的DSP 滤波器特性，在遵从Nyquist 定律时提供更高分辨率，以更精确地描绘实际信号

总结

虽然工程师在选择数字示波器时通常会了解波形更新率性能，但波形更新率对您发现和排除间歇性电路问题的能力有重大影响。采用MegaZoom III 技术的 Agilent 6000系列示波器提供这一档次示波器的最快波形更新率，而不要求使用者选择专门的工作模式，从而避免在性能和功能上作出权衡。由于Agilent 混合信号示波器有16个逻辑定时通道，使找到间歇性故障的原因成为比较容易的任务。

为在线观看展示波形更新率和显示质量重要性的录像，请访问www.agilent.com/find/scope-demo ，然后点击录像标题“Expanding Be-yond Two Dimensions ”。

术语

表1: Agilent 6000系列示波器

秒/格采样率存储器1波形/秒2点/秒3

1 ns/ 4 GSa/s4074,000 3 M

2 ns/ 4 GSa/s8074,000 6 M

5 ns/ 4 GSa/s20060,00012 M

10 ns/ 4 GSa/s40095,000438 M

20 ns/ 4 GSa/s80095,000476 M

50 ns/ 4 GSa/s200074,000150 M

100 ns/ 4 GSa/s400074,000300 M

200 ns/ 4 GSa/s800073,000580 M

500 ns/ 4 GSa/s20,00033,000660 M

1µs/ 4 GSa/s40,00033,000 1.3 G

2 µs/ 4 GSa/s80,00019,000 1.5 G

5µs/ 4 GSa/s200,0007,600 1.5 G

10 µs/ 4 GSa/s400,0004,000 1.6 G

20 µs/ 4 GSa/s800,0002,000 1.6 G

50 µs/ 4 GSa/s2,000,000800 1.6 G

100 µs/ 4 GSa/s4,000,000400 1.6 G

1.存储器深度依据屏幕上的实际数字化点数，不包括sin(x)/x重建点。

2.使用sin(x)/x重建，整个波形由各采集周期产生。

3.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于实时采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与

波形/秒更新率之积。

4.禁用预触发采集可实现高达100,000波形/秒。

表2：Tektronix TDS3000系列示波器（默认10K模式）

秒/格采样率存储器1波形/秒2点/秒3

1 ns/ 5 GSa/s5046023 k

2 ns/ 5 GSa/s1******* k

4 ns/

5 GSa/s2******* k

10 ns/ 5 GSa/s500775390 k

20 ns/ 5 GSa/s1,000775775 k

40 ns/ 5 GSa/s2,000775 1.6 M

100 ns/ 5 GSa/s5,000620 3.1 M

200 ns/ 5 GSa/s10,000310 3.1 M

400 ns/ 2.5 GSa/s10,000330 3.3 M

1 µs/ 1 GSa/s10,000310 3.1 M

2 µs/500 MSa/s10,000320 3.2 M

4 µs/250 MSa/s10,000320 3.2 M

10 µs/100 MSa/s10,000325 3.2 M

20 µs/50 MSa/s10,000320 3.2 M

40 µs/25 MSa/s10,000325 3.2 M

100 µs/10 MSa/s10,000315 3.2 M

1.存储器深度依据屏幕上的实际数字化点数，不包括sin(x)/x重建点。

2.使用sin(x)/x重建，整个波形由各采集周期产生。

3.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于实时采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与

波形/秒更新率之积。

表3: Tektronix TDS3000系列示波器（快触发模式）

秒/格采样率存储器1波形/秒2点/秒3

1 ns/ 5 GSa/s5073037 k

2 ns/ 5 GSa/s1007307

3 k

4 ns/

5 GSa/s200610120 k

10 ns/ 5 GSa/s5002800 1.4 M

20 ns/ 2.5 GSa/s5003300 1.7 M

40 ns/ 1.25 GSa/s5003500 1.8 M

100 ns/500 MSa/s5003500 1.8 M

200 ns/250 MSa/s5003300 1.7 M

400 ns/125 MSa/s5003300 1.7 M

1 µs/50 MSa/s5003100 1.6 M

2 µs/25 MSa/s5002900 1.5 M

4µs/12.5 MSa/s5002500 1.3 M

10 µs/ 5 MSa/s5001800900 k

20 µs/ 2.5 MSa/s5002000 1 M

40 µs/ 1.25 MSa/s5001250630 k

100 µs/500 kSa/s500670340 k

1.存储器深度依据屏幕上的实际数字化点数，不包括sin(x)/x重建点。

2.使用sin(x)/x重建，整个波形由各采集周期产生。

3.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于实时采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与

波形/秒更新率之积。

表4: Tektronix TDS5000系列示波器

秒/格采样率存储器1波形/秒2点/秒3

1 ns/ 5 GSa/s5060 3 k

2 ns/ 5 GSa/s10060 6 k

4 ns/

5 GSa/s2006012 k

10 ns/ 5 GSa/s5006030 k

20 ns/ 5 GSa/s1******* k

40 ns/ 5 GSa/s2******* k

80 ns/ 5 GSa/s400030120 k

200 ns/ 5 GSa/s10,00020200 k

400 ns/ 5 GSa/s20,00012240 k

1µs/ 5 GSa/s50,000 5.5275 k

2µs/ 5 GSa/s100,000 2.8280 k

4µs/ 5 GSa/s200,000 1.5300 k

10µs/ 5 GSa/s500,0006 3.0 M

20µs/ 5 GSa/s1,000,0003 3.0 M

40µs/ 5 GSa/s2,000,000 1.6 3.2 M

100µs/ 5 GSa/s5,000,0000.6 3.0 M

1.存储器深度依据屏幕上的实际数字化点数，不包括sin(x)/x重建点。

2.使用sin(x)/x重建，整个波形由各采集周期产生。

3.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于实时采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与

波形/秒更新率之积。

表5: LeCroy WaveSurfer 400系列示波器

秒/格采样率存储器1波形/秒2点/秒3

1 ns/

2 GSa/s20170 3.4 k

2 ns/ 2 GSa/s40170 6.8 k

5 ns/ 2 GSa/s1******* k

10 ns/ 2 GSa/s2******* k

20 ns/ 2 GSa/s4******* k

50 ns/ 2 GSa/s1,000130130 k

100 ns/ 2 GSa/s2,000130260 k

200 ns/ 2 GSa/s4,000130520 k

500 ns/ 2 GSa/s10,000120 1.2 M

1µs/ 2 GSa/s20,000110 2.2 M

2µs/ 2 GSa/s40,00090 3.6 M

5µs/ 2 GSa/s100,000707.0 M

10µs/ 2 GSa/s200,0005010 M

20µs/ 2 GSa/s400,0003012 M

50µs/ 2 GSa/s1,000,0002020 M

100µs/ 2 GSa/s2,000,0001020 M

1.存储器深度依据屏幕上的实际数字化点数，不包括sin(x)/x重建点。

2.使用sin(x)/x重建，整个波形由各采集周期产生。

3.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于实时采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与

波形/秒更新率之积。

表6: Agilent 6000系列示波器（ET模式）

秒/格采样率1存储器2采集/秒波形/秒3点/秒4

1 ns/ 4 GSa/s40200,00016,0008 M

2 ns/ 4 GSa/s80190,00030,00015 M 5 ns/ 4 GSa/s200170,00068,00034 M 10 ns/ 4 GSa/s400160,000130,000 M 20 ns/ 4 GSa/s80090,00090,00072 M 50 ns/ 4 GSa/s200074,00074,000150 M 100 ns/ 4 GSa/s400074,00074,000300 M 200 ns/ 4 GSa/s800073,00073,000580 M 500 ns/ 4 GSa/s20,00033,00033,000660 M 1µs/ 4 GSa/s40,00033,00033,000 1.

3 G 2µs/

4 GSa/s80,00019,00019,000 1.

5 G 5µs/ 4 GSa/s200,0007,6007,600 1.5 G 10µs/ 4 GSa/s400,0004,0004,000 1.

6 G 20µs/ 4 GSa/s800,0002,0002,000 1.6 G 50µs/ 4 GSa/s2,000,000800800 1.6 G 100µs/ 4 GSa/s4,000,000400400 1.6 G

1.采样率定义为各重复采集的实际实时采样率。而不是重复的“有效”采样率。

2.存储器深度依据屏幕上各重复采集周期所采集的实际数字化点数。

3.等效时间波形/秒依据包括最小500点的规范化波形，在某些较快时基范围需要重复采集。

4.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于等效时间采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与采集/秒更新率之积。

表7: Tektronix TDS5000系列示波器（FastAcq模式）

秒/格采样率1存储器2采集/秒波形/秒3点/秒4

1 ns/ 1.25 GSa/s12.5120,0003,000 1.5 M

2 ns/ 1.25 GSa/s25120,0006,000 3.0 M 4 ns/ 1.25 GSa/s50140,00014,0007.0 M 10 ns/ 1.25 GSa/s125140,00035,00018 M 20 ns/ 1.25 GSa/s250125,00063,00031 M 40 ns/ 1.25 GSa/s500130,000130,00065 M 80 ns/ 1.25 GSa/s1,00065,00065,00065 M 200 ns/ 1.25 GSa/s2,50028,00028,00070 M 400 ns/ 1.25 GSa/s5,00013,00013,00065 M 1µs/500 MSa/s5,00013,00013,00065 M 2µs/250 MSa/s5,00012,00012,00060 M 4µs/125 MSa/s5,0004,7004,70024 M 10µs/125 MSa/s12,5002,5002,50031 M 20µs/125 MSa/s25,0001,3001,3003

3 M 40µs/125 MSa/s50,00069069035 M 100µs/125 MSa/s125,00028028035 M

1. 采样率定义为各重复采集的实际实时采样率。而不是重复的“有效”采样率。

2. 存储器深度依据屏幕上各重复采集周期所采集的实际数字化点数。

3. 等效时间波形/秒依据包括最小500点的规范化波形，在某些较快时基范围需要重复采集。

4. 点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于等效时间采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与采集/秒更新率之积。

附录B：等效时间更新率表（续）

表8: LeCroy WaveSurfer 400系列示波器（ET模式）

秒/格采样率1存储器2采集/秒波形/秒3点/秒4

1 ns/

2 GSa/s203,80015076 k

2 ns/ 2 GSa/s403,400270135 k 5 ns/ 2 GSa/s1003,400680340 k 10 ns/ 2 GSa/s2003,1001,240620 k 20 ns/ 2 GSa/s4003,1002,500 1.2 M 50 ns/ 2 GSa/s1,0002,4002,400 2.4 M 100 ns/ 2 GSa/s2,0001,7001,700 3.4 M 200 ns/ 2 GSa/s4,0001,2001,200 4.8 M 500 ns/ 2 GSa/s10,000540540 5.4 M 1µs/ 2 GSa/s20,000330330 6.6 M 2µs/ 2 GSa/s40,000160160 6.4 M 5µs/ 2 GSa/s100,00070707.0 M 10µs/ 2 GSa/s200,000505010 M 20µs/ 2 GSa/s400,000303012 M 50µs/ 2 GSa/s1,000,000202020 M 100µs/ 2 GSa/s2,000,000101020 M

1.采样率定义为各重复采集的实际实时采样率。而不是重复的“有效”采样率。

2.存储器深度依据屏幕上各重复采集周期所采集的实际数字化点数。

3.等效时间波形/秒依据包括最小500点的规范化波形，在某些较快时基范围需要重复采集。

4.点数/秒定义为一秒内非重建数字化总点数。对于等效时间采集，它是示波器屏幕上的存储器深度与采集/秒更新率之积。

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