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关于示波器的波形捕获率 (II)
发布时间: 2020-01-09
浏览次数: 704
  之前,已经和大家分享过波形捕获率(I)的内容,如果还没有看的,请点击阅读之前的这篇:关于示波器的波形捕获率(I)。

  之前,已经和大家分享过波形捕获率(I)的内容,如果还没有看的,请点击阅读之前的这篇:关于数字示波器的波形捕获率(I)。

  3、“纯像素”形式的波形刷新率的技术实现—DPX的天生局限性

  上文提到,最早将波形捕获率捧到天上的是T公司,它将具有快速捕获功能的示波器称为第三代数字示波器,专门在产品命名中称之为DPO示波器。 这种示波器的特征是在面板上有一个大的软皮按钮:DPX。

  DPX的捕获技术实现原理如图5所示。 输入信号经过放大器和ADC之后没有经过采集存储器,更没有经过任何计算单元就直接送入一个专门的DPX芯片,然后送到显示处理单元,显示出类似于模拟示波器显示效果的快刷新的图像。启动数字示波器面板上的按钮,示波器就强制信号流经过DPX芯片送显示,否则,正常情况下信号流经过放大器和ADC之后经过采集存储器,再经过计算/显示处理单元送显示。图5中没有画出A/D之后的“开关”切换路径。 不过,除了T公司的销售人员在演示DPO示波器是多么地“快”,用户买料示波器之后一般并不启动那个DPX按钮!

DPX技术实现原理
图5 DPX技术实现原理

  直接送到DPX芯片的数据流以“纯像素”的方式显示出来,节省了ADC数据传输到采集存储器的时间,节省了测量运算的时间,肉眼看到的是像素波形就刷新得很快。但是,这些波形是不能被测量、被分析的。这是DPX被竞争对手攻击得比较厉害的不足。

  早期T公司比较老实,在DPX启动时,无法打开测量功能,在用户点击测量时,会提示说当前测量功能不能用,但因为对手老攻击在DPX模式下不能测量,后来T公司就允许用户在DPX模式下打开测量功能,但测量的结果是“莫名其妙”的,不是屏幕上的波形对应的结果。 这很令人匪夷所思:为什么一个曾经著名的公司后来变得那么地堕落?

  4、当前数字示波器的波形捕获率指标为何集体“攀升”了?

  突然有一天另外一家也很著名的A公司也开始大肆地鼓吹波形捕获率,他们为此炮制的一篇文章在业内流传很广。这篇Marketing杰作直接将波形捕获率送到了“第四大指标”的神坛。但这个指标只是针对中低端示波器才那么地优异,A公司的高端示波器,包括所有三大示波器公司的高端示波器的波形捕获率指标都很差。

  现在的波形捕获率的实现方式完全不同于DPX了。现在T公司和A公司还有国产示波器的中低端示波器的数据处理架构和高端示波器是不一样的,前者是嵌入式数据处理系统,后者是基于PC架构的。先说说后者的波形捕获率为什快不起来。

  基于PC架构的示波器是是用四根PCI-Express 线缆将采集存储器的数据传输到PC中,这个PC的速度再怎么快也没有用,因为PCI-Express线缆传输的速度只有那么快,2002年的PCI-Express 1.0,传输速度只有2.5Gbps,后来的PCI-Express 2.0,速度达到了5Gbps,但毕竟只有5Gbps!—— 高端示波器的采样率动辄20GS/s,这和5Gbps的传输速率之间是什么关系?

  20GS/s得采样率,就是每秒采样20G个采样点,而每个采样点是8个0和1组成,如果ADC的输出数据按串行的方式来传输的话,串行数据速率达到160Gbps,即每秒传输160G个0和,160Gbps是5Gbps的32倍,这就必然带来死区,不管后端的PC平台是普通的笔记本电脑还是银河超级计算机。 为此,我喜欢采用的一个比方是:PC计算平台就如超级工厂Foxconn,负责“来料加工”,但是所有加工的物料都必须经过唯一的“梅观高速”来传输,加工能力就受限于“梅观高速”的物流了。高端示波器的数据处理架构就受限于数据传输。

  当前的所有国产示波器和国外的低端示波器的数据处理架构都换了个玩法。虽然每家都用Marketing的方式命名一个技术平台,但实质上都是一样的。图6和图7所示说明了鼎阳科技命名为“SPO”的技术平台,这个SPO引擎可以说明这种数据处理架构的优越性。

  在当前的嵌入式数字示波器数据处理架构中,DDR代替了传统的专用的采集存储器,DDR并行地存入ADC采集的数据;数字触发系统代替了传统的模拟触发;FPGA并行处理ADC的数据,快速完成显示和测量计算。也因此,我们说,DDR技术的发展和FPGA运算能力的增加使得这种数据处理架构成为嵌入式示波器的必然选择。 在这种架构中,CPU仍然存在,但主要是主控以及部分的测量、运算,CPU通道的处理不影响波形的采集,处理和显示。 使用成本不高的FPGA就可以实现100万次/秒的波形捕获率,不计成本的FPGA可以将波形捕获率提高到200万次/秒、300万次/秒;如果将FPGA中和显示算法相关的运算通过专用的芯片来实现,波形捕获率将进一步提高到400万次/秒,甚至更高。

  因为上面这种数据处理技术在示波器中的普及,随着FPGA成本的降低和波形捕获率指标继续全速尽情地炒作下去,数字示波器厂商在定义自己新一代示波器产品时,会越来越将更多的FPGA资源分配给加大波形捕获率,或者优化FPGA的算法不断获得更高的波形捕获率,或者牺牲示波器的利润率,加大FPGA成本搞出更吸引眼球的波形捕获率指标 。 但这种技术路线发展到一定的时候,几乎没有死区时间的示波器将会出现,那将是真正有意义的查找异常信号的示波器。

鼎阳科技SPO技术平台
图6   鼎阳科技SPO技术平台
鼎阳科技SPO引擎
图7 鼎阳科技SPO引擎

  5、如何利用“数字化、具体化和打比方”的技巧强调波形捕获率的好处?

  波形捕获率对用户到底有什么好处呢? 波形捕获率越高,表示数字示波器捕获到异常信号的概率越高。这里我们举一个具体的例子。

  假设信号每秒出现10次异常,示波器的采集时间为100ns,用每秒100次的波形捕获率,就需要19个小时11分钟08秒才能找到异常信号。用每秒10000次的波形捕获率,需要11分钟31秒。11分钟对于我们使用示波器来说,是太长的等待。 如果我们有每秒100万次的波形捕获率,则只要7秒的时间。

  可以通过一个比方来理解捕获率和死区时间的概念:用户的信号如长江之水川流不息,示波器捕获信号的过程就如从长江之水中舀一瓢离岸进行分析,然后再等待固定的时间间隔 去舀下一瓢水。“沧海之水,取一瓢饮之”。两次舀水之间有极大量的长江之水已一去不复返了。 两次舀水之间的时间就是“死区时间”。 从长江中舀水的速度就相当于示波器的捕获率。 假设水中偶尔游过一尾金鱼,能不能被舀到岸上来呢? 这就和您从江水中舀水的速度成正比,舀水的速度越快,就越容易舀到金鱼。 传统的示波器波形捕获率只有几百次每秒,就相当于人工的方式从江里舀水。 SDS3000示波器波形捕获率达到100万次每秒,就相当于我们有了电动水泵,完全不同于传统的方法从江里抽水,找到金鱼的概率大大增加。

  还可以具体计算一下波形捕获率和死区之间的关系:

  假设示波器的最大波形捕获率为100万次/秒,当前示波器捕获的波形长度为 400ns,那么当前示波器的死区时间为多少? 答案是 1s-1000000*400ns=0.6秒,就是说死区时间占了60%,但如果波形捕获率为10万次/秒,那么死区时间为96%,如果波形捕获率为1万次/秒,死区时间为99.6%。 可以看出,波形捕获率越大,死区时间越小。

  如果某公司的示波器波形捕获率指标处于优势地位,销售培训中培训师就会写下上面这段文字,打印出来发给每位销售人员,要求他们“背”下来。 这种利用“数字化、具体化和打比方”的技巧表达出波形捕获率越大越好,具有正当的专业的“忽悠”效果。

  6、如何利用“数字化、具体化和打比方”的技巧表达波形捕获率的“无力”?

  即使你有一个电动水泵,你能在极速而下的瀑布口逮到一年才游过来一条的“世纪金鱼”吗? 瀑布口的水流速度太快,远远快于电动水泵的速度,世界上速度最快的电动水泵和瀑布口的水流速度相比,简直是“小巫见大巫”。 具体类比到波形捕获率和数据速率的数据,波形捕获率犹如电动水泵的速率,假如是10万次/秒,也就是100K/s的速度,而数据速率,现在的高速信号动不动就是上GHz,就拿一个200MHz的时钟信号来说,其速率也远远高于100K/s了。这样200MHz的时钟信号,如果每5秒有一个异常信号(如毛刺信号)到来,也就是每10亿个边沿中有一个边沿是毛刺,这些边沿只有极少部分有机会在示波器的屏幕上出现,其他的都落在了死区里。使用10万次/秒的波形捕获率的示波器,从概率上来说大约需要多长时间才能找到200MHz时钟里每5秒才出现的一次异常信号? 2.8个小时!

  上述这个例子很能说明波形捕获率在实际中的“无力”! 如果某公司的数字示波器波形捕获率指标处于劣势,就请记住这个例子。

  上一次发生在中国的日全食是2009年7月22日,而下一次将在2034年3月20日发生在西藏北部的山区,但基本是无人区。 如何才能逮到瀑布口偶尔流过的一条“世纪金鱼”?这个难度就如发生一次日全食。 不是电动水泵不够快,但在固定的那个瀑布口按固定的速率逮住那么偶尔才来一次的“世纪金鱼”,就如快速转动的太阳、地球和月亮三点连在一线的概率。 实在是小概率事件! 更有效的办法恐怕还是要靠触发!

  因此,总结一个应该记住的常识是:捕获异常信号的能力和示波器的波形捕获率成正比,和异常信号的出现概率及信号的边沿速率(频率)成反比。只强调成正比的波形捕获率,而刻意忽略异常信号的概率和信号的频率,其实是在制造概念的“忽悠”。由于信号频率往往远远大于波形捕获率,而几秒钟甚至几分钟才出现一次异常信号,这种概率相对于信号的速率来说就如一年才出现一次的“世纪金鱼”。 就是这么简单的道理,由于信息不对称,示波器的用户没有了解到波形捕获率背后这简单的常识而被误导。

  参考文献:

  [1] 关于示波器的存储幅度,汪进进,鼎阳硬件设计与测试智库

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