辨析并验证PicoScope的波形触发率和刷新率

前言

示波器的波形触发率和刷新率经常被提及，却往往让人混淆，摸不清头脑。这对好兄弟完全是两个不同的概念，却又有着千丝万缕的联系。本文将以简单直观的方式区分他们，并借助PicoScope内置的信号发生器来验证自身的这两项指标。

波形触发率

示波器的核心部件是ADC模数转换，模拟信号转成数字信号的过程一直在发生，但是每时每刻都把数字波形传输到屏幕上根本来不及，尤其是在采样率大的时候。因此示波器实际上只传输一小部分数字信号用于显示和测量，那么到底传输哪一部分呢？这就得依靠触发：以最简单的边沿触发为例，当波形的电平穿过上图的黄色小点时，示波器就会产生触发，并且把这个时刻前后一段时间的数字波形传输到屏幕上。

两次触发之间示波器不能采集或记录任何数据，这段时间叫做“死区”。示波器在普通的模式下死区非常大，我们做一个简单的计算，假设我们以1GS/s的采样率采集了1us波形，产生的数据量1KS，把这1KS数据传输到上位机处理、显示出来，需要花费100us，完成之后才能采集下一个1us，这样示波器的死区竟然高达99%。即使处理、显示时间缩短到10us，死区仍然有90%。

有什么办法能够缩小这段死区吗？有。就是采集完成的数据先不忙传输到上位机，缓存下来，然后立刻开始下一次采集。等到缓存积累满了，再一次性传输到上位机显示。这就是中高端示波器所谓的“快速触发”、“分段触发”或者“顺序触发”模式，他们说的都是一回事。

在PicoScope软件中，打开快速触发模式Rapid，采集10组方波边沿，之后屏幕上不会立刻刷新波形，而是等到10组都完成后，采集停止。通过波形回放可以逐个浏览这10组波形。

在这种模式下，示波器的死区可以做到最小，但仍然有极限。手册表明，PicoScope的最小触发间隔：在最大的采样率，8bit时可达到1us，换句话说最大的波形触发率是100万次/秒。

这一指标真实与否呢？我们不妨验证一下。思路是：用PicoScope自带的信号发生器，产生100个连续的脉冲，间隔1us，快速触发的段数也设为100，如果示波器恰好能够完成这100次触发，没有漏掉任何一个周期，就说明最小触发间隔确实达到了1us.

设置信号发生产生1MHz的方波，打开信号源触发，触发方式为手动，每次出发产生100个周期。把示波器时基调整到20ns/s，触发模式改为“快速”，点击运行按钮。此时示波器应该处于等待触发状态，按下信号源的“触发”按钮。正常情况下，示波器的状态应该会从“运行中”变为“停止”，说明100次触发完成了。

实际上，如果我们多试几次，大部分情况下，按一次按钮无法完成触发，需要再按一次按钮。这说明，以1us为触发间隔，示波器会漏掉一些周期，无法100%的达到标准。

我们把信号频率略微降低，到900KHz,即触发间隔1.1us，发现按一次按钮即可完成100次触发的概率大大提高了，但仍然不是百分之百。通过反复调整实验我们可以找到100%无遗漏触发的频率大约在850-900KHz之间。也就是说PicoScope实测的波形触发率在85万次/秒以上。

值得一提的是：“快速触发”这项功能只在各个厂家的中高端示波器上配备，如Tektronix将其称之为FastFrame技术，只在定价10万元以上的DPO5000系列以上，才有这项功能。而PicoScope从2000元到10万元以上的所有示波器型号均标配这一触发模式。对于精准捕获偶发信号、采集大量窄脉冲等测试场景很有价值。

波形刷新率

上面聊完了波形触发率，再来看看波形刷新率，也有厂商称之为“波形捕获率”。它和波形触发率不同，是示波器实时运行状态下的指标，也就是说要把数据的传输、处理、显示统统考虑进去。普通模式下，这个速率不会很高，实际上只要波形的刷新率大于1秒50次，肉眼就难以分辨了。而我们看到示波器数据手册标称的波形刷新率动辄几万次，这是怎么回事呢？其实，最快的波形刷新率都是在快速余辉模式下实现的，这种模式下，示波器捕获的波形会快速地叠加在屏幕上，形成余辉，这么做的目的是不漏掉偶发波形，能看到异常的发生。

快速触发模式的触发率虽然很快，但是毕竟不能长久，一旦缓存满了就不得不停下传输和显示数据，如果异常波形发生的概率不高，用快速触发模式仍然可能抓不到。

而使用快速余辉模式，就可以在捕获率相对较高的情况下，持续地运转，一旦有异常信号发生，就会叠加到屏幕上，游离在正常的轨迹之外，再也跑不掉了。

PicoScope 5000系列标称的波形刷新率是13万次/秒，这个速率低于最大触发率，但是也远高于普通的情形了。如何验证这一指标的真实性呢？我们还是用内置的信号发生器，思路是产生10个频率步进变化的正弦波，每次触发过后数一下余辉的轨迹中是否有10个正弦波叠加在一起。

逐步降低频率步进的时间间隔，直到无法完全捕获10个正弦波，零界点就是PicoScope能否支持的最小捕获时间间隔，也就是捕获率的倒数。

设置PicoScope内置信号源产生1MHz-2MHz的正弦波扫频信号，频率步长100KHz（共11个频点），扫频间隔先设为100us，打开手动触发。示波器调整到余辉模式，选择“快速”余辉模式。时基调整到100ns/div，恰好能够看清波形轨迹。此时按一下信号源触发按钮，屏幕上会显示捕获的波形曲线，我们数一下不多不少整11个。把扫频间隔降低到10us，按一下停止按钮，再按运行，触发信号源，大部分时候仍然能够捕获到11个波形，然而多测试几次，偶尔也会发生无法捕获完整的情形。再进一步降低到8us，无法捕获完整的概率又增加了一些，大约有一半情况下能成功。再降低到5us，还是能够出现完整捕获的情况，但是概率已经变得很低了。降低到2us则几乎无法捕获，或仅能捕获到少量几个周期。

由此我们大约可以测算出，8us-10us的触发间隔，即10万-13万次/秒的刷新率是较为可靠的，20万次/秒的刷新率或捕获率偶尔也能实现，但是无法保证大概率成功。实际上，PicoScope或者其他品牌高端的示波器产品，都借助PC来进行波形处理和显示，而PC的每时每刻的处理速度都受到其他程序的影响，因此波形捕获率不是一个恒定的数值，我们只能大约确保它在一个区间之内。

小结

本文区分了示波器的波形触发率和波形刷新率（捕获率）两种概念之间的差别，并且在不借助其他仪表的情况下，利用PicoScope内置的信号发生器，完成了这两项指标的自我验证，结论表明PicoScope数据手册所载的指标是可靠真实的。