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2020-01-09 
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之前，已經(jīng)和大家分享過波形捕獲率(I)的內(nèi)容，如果還沒有看的，請點擊閱讀之前的這篇：關(guān)于示波器的波形捕獲率(I)。 
之前，已經(jīng)和大家分享過波形捕獲率(I)的內(nèi)容，如果還沒有看的，請點擊閱讀之前的這篇：關(guān)于數(shù)字示波器的波形捕獲率(I)。
3、“純像素”形式的波形刷新率的技術(shù)實現(xiàn)—DPX的天生局限性
上文提到，最早將波形捕獲率捧到天上的是T公司，它將具有快速捕獲功能的示波器稱為第三代數(shù)字示波器，專門在產(chǎn)品命名中稱之為DPO示波器。 這種示波器的特征是在面板上有一個大的軟皮按鈕：DPX。
DPX的捕獲技術(shù)實現(xiàn)原理如圖5所示。 輸入信號經(jīng)過放大器和ADC之后沒有經(jīng)過采集存儲器，更沒有經(jīng)過任何計算單元就直接送入一個專門的DPX芯片，然后送到顯示處理單元，顯示出類似于模擬示波器顯示效果的快刷新的圖像。啟動數(shù)字示波器面板上的按鈕，示波器就強制信號流經(jīng)過DPX芯片送顯示，否則，正常情況下信號流經(jīng)過放大器和ADC之后經(jīng)過采集存儲器，再經(jīng)過計算/顯示處理單元送顯示。圖5中沒有畫出A/D之后的“開關(guān)”切換路徑。 不過，除了T公司的銷售人員在演示DPO示波器是多么地“快”，用戶買料示波器之后一般并不啟動那個DPX按鈕!
圖5 DPX技術(shù)實現(xiàn)原理
直接送到DPX芯片的數(shù)據(jù)流以“純像素”的方式顯示出來，節(jié)省了ADC數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉鎯ζ鞯臅r間，節(jié)省了測量運算的時間，肉眼看到的是像素波形就刷新得很快。但是，這些波形是不能被測量、被分析的。這是DPX被競爭對手攻擊得比較厲害的不足。
早期T公司比較老實，在DPX啟動時，無法打開測量功能，在用戶點擊測量時，會提示說當(dāng)前測量功能不能用，但因為對手老攻擊在DPX模式下不能測量，后來T公司就允許用戶在DPX模式下打開測量功能，但測量的結(jié)果是“莫名其妙”的，不是屏幕上的波形對應(yīng)的結(jié)果。 這很令人匪夷所思：為什么一個曾經(jīng)著名的公司后來變得那么地墮落?
4、當(dāng)前數(shù)字示波器的波形捕獲率指標(biāo)為何集體“攀升”了?
突然有一天另外一家也很著名的A公司也開始大肆地鼓吹波形捕獲率，他們?yōu)榇伺谥频囊黄恼略跇I(yè)內(nèi)流傳很廣。這篇Marketing杰作直接將波形捕獲率送到了“第四大指標(biāo)”的神壇。但這個指標(biāo)只是針對中低端示波器才那么地優(yōu)異，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獲率指標(biāo)都很差。
現(xiàn)在的波形捕獲率的實現(xiàn)方式完全不同于DPX了?，F(xiàn)在T公司和A公司還有國產(chǎn)示波器的中低端示波器的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)和高端示波器是不一樣的，前者是嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，后者是基于PC架構(gòu)的。先說說后者的波形捕獲率為什快不起來。
基于PC架構(gòu)的示波器是是用四根PCI-Express 線纜將采集存儲器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C中，這個PC的速度再怎么快也沒有用，因為PCI-Express線纜傳輸?shù)乃俣戎挥心敲纯欤?002年的PCI-Express 1.0，傳輸速度只有2.5Gbps，后來的PCI-Express 2.0，速度達(dá)到了5Gbps，但畢竟只有5Gbps!—— 高端示波器的采樣率動輒20GS/s，這和5Gbps的傳輸速率之間是什么關(guān)系?
20GS/s得采樣率，就是每秒采樣20G個采樣點，而每個采樣點是8個0和1組成，如果ADC的輸出數(shù)據(jù)按串行的方式來傳輸?shù)脑?，串行?shù)據(jù)速率達(dá)到160Gbps，即每秒傳輸160G個0和，160Gbps是5Gbps的32倍，這就必然帶來死區(qū),不管后端的PC平臺是普通的筆記本電腦還是銀河超級計算機(jī)。 為此，我喜歡采用的一個比方是:PC計算平臺就如超級工廠Foxconn，負(fù)責(zé)“來料加工”，但是所有加工的物料都必須經(jīng)過唯一的“梅觀高速”來傳輸，加工能力就受限于“梅觀高速”的物流了。高端示波器的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)就受限于數(shù)據(jù)傳輸。
當(dāng)前的所有國產(chǎn)示波器和國外的低端示波器的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)都換了個玩法。雖然每家都用Marketing的方式命名一個技術(shù)平臺，但實質(zhì)上都是一樣的。圖6和圖7所示說明了鼎陽科技命名為“SPO”的技術(shù)平臺，這個SPO引擎可以說明這種數(shù)據(jù)處理架構(gòu)的優(yōu)越性。
在當(dāng)前的嵌入式數(shù)字示波器數(shù)據(jù)處理架構(gòu)中，DDR代替了傳統(tǒng)的專用的采集存儲器，DDR并行地存入ADC采集的數(shù)據(jù);數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的模擬觸發(fā);FPGA并行處理ADC的數(shù)據(jù)，快速完成顯示和測量計算。也因此，我們說，DDR技術(shù)的發(fā)展和FPGA運算能力的增加使得這種數(shù)據(jù)處理架構(gòu)成為嵌入式示波器的必然選擇。 在這種架構(gòu)中，CPU仍然存在，但主要是主控以及部分的測量、運算，CPU通道的處理不影響波形的采集，處理和顯示。 使用成本不高的FPGA就可以實現(xiàn)100萬次/秒的波形捕獲率，不計成本的FPGA可以將波形捕獲率提高到200萬次/秒、300萬次/秒;如果將FPGA中和顯示算法相關(guān)的運算通過專用的芯片來實現(xiàn)，波形捕獲率將進(jìn)一步提高到400萬次/秒，甚至更高。
因為上面這種數(shù)據(jù)處理技術(shù)在示波器中的普及，隨著FPGA成本的降低和波形捕獲率指標(biāo)繼續(xù)全速盡情地炒作下去，數(shù)字示波器廠商在定義自己新一代示波器產(chǎn)品時，會越來越將更多的FPGA資源分配給加大波形捕獲率，或者優(yōu)化FPGA的算法不斷獲得更高的波形捕獲率，或者犧牲示波器的利潤率，加大FPGA成本搞出更吸引眼球的波形捕獲率指標(biāo) 。 但這種技術(shù)路線發(fā)展到一定的時候，幾乎沒有死區(qū)時間的示波器將會出現(xiàn)，那將是真正有意義的查找異常信號的示波器。
圖6 鼎陽科技SPO技術(shù)平臺
圖7 鼎陽科技SPO引擎
5、如何利用“數(shù)字化、具體化和打比方”的技巧強調(diào)波形捕獲率的好處?
波形捕獲率對用戶到底有什么好處呢? 波形捕獲率越高，表示數(shù)字示波器捕獲到異常信號的概率越高。這里我們舉一個具體的例子。
假設(shè)信號每秒出現(xiàn)10次異常，示波器的采集時間為100ns，用每秒100次的波形捕獲率，就需要19個小時11分鐘08秒才能找到異常信號。用每秒10000次的波形捕獲率，需要11分鐘31秒。11分鐘對于我們使用示波器來說，是太長的等待。 如果我們有每秒100萬次的波形捕獲率，則只要7秒的時間。
可以通過一個比方來理解捕獲率和死區(qū)時間的概念：用戶的信號如長江之水川流不息，示波器捕獲信號的過程就如從長江之水中舀一瓢離岸進(jìn)行分析，然后再等待固定的時間間隔 去舀下一瓢水。“滄海之水，取一瓢飲之”。兩次舀水之間有極大量的長江之水已一去不復(fù)返了。 兩次舀水之間的時間就是“死區(qū)時間”。 從長江中舀水的速度就相當(dāng)于示波器的捕獲率。 假設(shè)水中偶爾游過一尾金魚，能不能被舀到岸上來呢? 這就和您從江水中舀水的速度成正比，舀水的速度越快，就越容易舀到金魚。 傳統(tǒng)的示波器波形捕獲率只有幾百次每秒,就相當(dāng)于人工的方式從江里舀水。 SDS3000示波器波形捕獲率達(dá)到100萬次每秒，就相當(dāng)于我們有了電動水泵，完全不同于傳統(tǒng)的方法從江里抽水，找到金魚的概率大大增加。
還可以具體計算一下波形捕獲率和死區(qū)之間的關(guān)系：
假設(shè)示波器的最大波形捕獲率為100萬次/秒，當(dāng)前示波器捕獲的波形長度為 400ns，那么當(dāng)前示波器的死區(qū)時間為多少? 答案是 1s-1000000*400ns=0.6秒，就是說死區(qū)時間占了60%，但如果波形捕獲率為10萬次/秒，那么死區(qū)時間為96%,如果波形捕獲率為1萬次/秒，死區(qū)時間為99.6%。 可以看出，波形捕獲率越大，死區(qū)時間越小。
如果某公司的示波器波形捕獲率指標(biāo)處于優(yōu)勢地位，銷售培訓(xùn)中培訓(xùn)師就會寫下上面這段文字，打印出來發(fā)給每位銷售人員，要求他們“背”下來。 這種利用“數(shù)字化、具體化和打比方”的技巧表達(dá)出波形捕獲率越大越好，具有正當(dāng)?shù)膶I(yè)的“忽悠”效果。
6、如何利用“數(shù)字化、具體化和打比方”的技巧表達(dá)波形捕獲率的“無力”?
即使你有一個電動水泵，你能在極速而下的瀑布口逮到一年才游過來一條的“世紀(jì)金魚”嗎? 瀑布口的水流速度太快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電動水泵的速度，世界上速度最快的電動水泵和瀑布口的水流速度相比，簡直是“小巫見大巫”。 具體類比到波形捕獲率和數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)，波形捕獲率猶如電動水泵的速率，假如是10萬次/秒，也就是100K/s的速度，而數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)在的高速信號動不動就是上GHz，就拿一個200MHz的時鐘信號來說，其速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100K/s了。這樣200MHz的時鐘信號，如果每5秒有一個異常信號(如毛刺信號)到來，也就是每10億個邊沿中有一個邊沿是毛刺，這些邊沿只有極少部分有機(jī)會在示波器的屏幕上出現(xiàn)，其他的都落在了死區(qū)里。使用10萬次/秒的波形捕獲率的示波器，從概率上來說大約需要多長時間才能找到200MHz時鐘里每5秒才出現(xiàn)的一次異常信號? 2.8個小時!
上述這個例子很能說明波形捕獲率在實際中的“無力”! 如果某公司的數(shù)字示波器波形捕獲率指標(biāo)處于劣勢，就請記住這個例子。
上一次發(fā)生在中國的日全食是2009年7月22日，而下一次將在2034年3月20日發(fā)生在西藏北部的山區(qū)，但基本是無人區(qū)。 如何才能逮到瀑布口偶爾流過的一條“世紀(jì)金魚”?這個難度就如發(fā)生一次日全食。 不是電動水泵不夠快，但在固定的那個瀑布口按固定的速率逮住那么偶爾才來一次的“世紀(jì)金魚”，就如快速轉(zhuǎn)動的太陽、地球和月亮三點連在一線的概率。 實在是小概率事件! 更有效的辦法恐怕還是要靠觸發(fā)!
因此，總結(jié)一個應(yīng)該記住的常識是：捕獲異常信號的能力和示波器的波形捕獲率成正比，和異常信號的出現(xiàn)概率及信號的邊沿速率(頻率)成反比。只強調(diào)成正比的波形捕獲率，而刻意忽略異常信號的概率和信號的頻率，其實是在制造概念的“忽悠”。由于信號頻率往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波形捕獲率，而幾秒鐘甚至幾分鐘才出現(xiàn)一次異常信號，這種概率相對于信號的速率來說就如一年才出現(xiàn)一次的“世紀(jì)金魚”。 就是這么簡單的道理，由于信息不對稱，示波器的用戶沒有了解到波形捕獲率背后這簡單的常識而被誤導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 關(guān)于示波器的存儲幅度，汪進(jìn)進(jìn)，鼎陽硬件設(shè)計與測試智庫
