作者丨鼎陽(yáng)科技 張一慧
1、波形捕獲率的定義與核心概念
波形捕獲率（Waveform Capture Rate）是數(shù)字示波器的關(guān)鍵指標(biāo)之一，指單位時(shí)間內(nèi)示波器能夠捕獲并顯示波形的次數(shù)，通常以“次/秒”或“幀/秒”為單位。其本質(zhì)是衡量示波器在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)變化的響應(yīng)能力。
從原理上看，示波器的工作周期分為“有效捕獲時(shí)間”和“死區(qū)時(shí)間”，“有效捕獲時(shí)間”是信號(hào)采樣并存儲(chǔ)的階段，而“死區(qū)時(shí)間”則是處理數(shù)據(jù)、更新顯示的耗時(shí)。波形捕獲率的計(jì)算公式為：
波形捕獲率=1/（有效捕獲時(shí)間+死區(qū)時(shí)間）
死區(qū)時(shí)間占比越大，捕獲率越低，漏失異常信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)越高。
波形捕獲率的作用與技術(shù)價(jià)值
波形捕獲率作為示波器的核心性能指標(biāo)，其作用在于通過高頻次的信號(hào)采集能力，確保對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象（如毛刺、脈沖干擾等）的有效捕捉，從而提升信號(hào)完整性分析的準(zhǔn)確性。這一特性在高速數(shù)字電路調(diào)試、通信協(xié)議驗(yàn)證及電力電子設(shè)備監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵，能夠顯著提高故障復(fù)現(xiàn)率與異常信號(hào)的檢測(cè)效率，高捕獲率可避免信號(hào)盲區(qū)，為工程師提供更完整的波形細(xì)節(jié)，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性驗(yàn)證。
數(shù)字示波器在捕獲異常方面的有用性指標(biāo)是示波器能夠在屏幕上累積的平均每秒異常數(shù)量。其倒數(shù)則是在屏幕上看到異常所需的平均時(shí)間。傳統(tǒng)上，方法是使示波器處于邊沿觸發(fā)（上升沿或下降沿）模式，并查看每次采集時(shí)重疊的持續(xù)軌跡。等待一段時(shí)間后，希望其中一條軌跡能夠顯示出異常。
當(dāng)使用這種方法時(shí)，異常捕獲率可以根據(jù)波形的邊沿速率（即每秒鐘觸發(fā)到波形的上升沿或下降沿?cái)?shù)量，數(shù)值上與波形頻率相等）、示波器的捕獲速率以及異常發(fā)生的統(tǒng)計(jì)頻率來(lái)計(jì)算，其計(jì)算公式如下：
每秒的異?，F(xiàn)象捕獲到的=Min（最大波形捕獲率，波形邊沿速率）*每秒的異?，F(xiàn)象/波形邊沿速率
這意味著，如果波形的邊沿速率不超過示波器的捕獲速率，那么示波器會(huì)捕獲每一個(gè)邊沿（因此也會(huì)捕獲每一個(gè)異常）。當(dāng)波形的邊沿速率超過示波器的捕獲速率時(shí)，示波器無(wú)法捕獲每一個(gè)邊沿，此時(shí)每秒捕獲的異常數(shù)量等于示波器的捕獲速率乘以異常發(fā)生的速率與波形邊沿速率的比值。
讓我們以如下情況為例：在一個(gè)200 MHz的時(shí)鐘上，異常（比如一個(gè)毛刺）以每5秒一次的頻率發(fā)生，使用波形捕獲速率為每秒100,000次的示波器，根據(jù)上述的公式進(jìn)行計(jì)算：
每秒的異常現(xiàn)象捕獲到的=Min（100k，200M）*1/5 /200M=0.0001個(gè)
那么捕獲到一次異常需要的時(shí)間就是10000s，也就是說平均需要2.8小時(shí)才能檢測(cè)到一次異常！
因此，當(dāng)邊沿速率低于示波器捕獲速率時(shí)，一切工作正常；但當(dāng)邊沿速率超過示波器捕獲速率時(shí)，情況就會(huì)惡化。這就是為什么許多示波器制造商開發(fā)了波形捕獲速率非常高的示波器。
從技術(shù)價(jià)值層面看，波形捕獲率的提升依賴于硬件與算法的協(xié)同創(chuàng)新。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器與深存儲(chǔ)技術(shù)的突破，結(jié)合并行處理架構(gòu)與智能算法，不僅實(shí)現(xiàn)了每秒百萬(wàn)次級(jí)別的波形捕獲能力，還通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與動(dòng)態(tài)刷新率優(yōu)化，增強(qiáng)了用戶對(duì)復(fù)雜信號(hào)的直觀觀測(cè)體驗(yàn)。
2、波形捕獲率和屏幕刷新率（60Hz）有什么關(guān)系
波形捕獲率是示波器每秒完成“采集-處理-顯示”完整波形的次數(shù)，而屏幕刷新率是顯示器硬件每秒物理刷新顯示內(nèi)容的次數(shù)。
兩者關(guān)系的核心邏輯是：
捕獲率是波形更新的“源頭”，捕獲率決定了示波器每秒生成多少幀波形數(shù)據(jù)，若捕獲率<刷新率，屏幕會(huì)因數(shù)據(jù)不足出現(xiàn)卡頓；屏幕刷新率是波形顯示的“瓶頸”，雖然波形捕獲率遠(yuǎn)高于屏幕刷新率，但實(shí)際顯示效果受限于后者，屏幕刷新率60Hz表示實(shí)際效果屏幕顯示60幀/秒。
那么，示波器的捕獲率非常高，有些示波器可達(dá)百萬(wàn)幀/秒，但屏幕刷新率卻只有60Hz，那豈不是這么高的捕獲率沒有用了？
當(dāng)然不是。高捕獲率的價(jià)值并不會(huì)因?yàn)槠聊凰⑿侣实氖芟薅?，示波器可通過波形合成技術(shù)，將多幀數(shù)據(jù)疊加顯示在一幀畫面中。例如，每秒生成的百萬(wàn)幀波形會(huì)被壓縮，合成到60張屏幕畫面中，每張畫面包含數(shù)萬(wàn)幀波形信息。這種技術(shù)使得屏幕雖然刷新率低，但每幀顯示的波形密度極高，用戶仍能觀察到連續(xù)的波形變化。
此外，高捕獲率縮短了死區(qū)時(shí)間，顯著提升了捕獲偶發(fā)信號(hào)的概率，即使屏幕僅每秒更新60次，高捕獲率的示波器仍能在每次更新時(shí)提供更豐富的波形細(xì)節(jié)，減少信號(hào)遺漏。例如，當(dāng)調(diào)試包含高頻毛刺的電路時(shí)，高捕獲率示波器能在極短時(shí)間內(nèi)捕獲大量波形數(shù)據(jù)，合成到屏幕顯示中，從而更易發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，而低捕獲率的示波器即使屏幕刷新率相同，也可能因死區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致關(guān)鍵波形被遺漏，因此，高捕獲率的核心優(yōu)勢(shì)在于提升信號(hào)完整性分析能力，而非直接提升屏幕顯示的流暢度。
3、現(xiàn)代示波器的高波形捕獲率是如何實(shí)現(xiàn)的？
傳統(tǒng)數(shù)字示波器依賴CPU進(jìn)行波形處理與顯示，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理成為瓶頸，現(xiàn)代高捕獲率示波器通過并行處理架構(gòu)突破這一限制：
FPGA加速：采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）分擔(dān)CPU壓力，實(shí)時(shí)處理波形數(shù)據(jù)與顯示渲染。
DDR內(nèi)存直連：ADC采樣數(shù)據(jù)直接寫入DDR內(nèi)存，避免傳統(tǒng)采集存儲(chǔ)器的串行傳輸延遲。
數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)：替代模擬觸發(fā)，提升觸發(fā)響應(yīng)速度并支持復(fù)雜觸發(fā)模式。
死區(qū)時(shí)間由數(shù)據(jù)處理時(shí)間主導(dǎo)，通過硬件并行化設(shè)計(jì)，將波形采集、處理、顯示流程解耦，可顯著縮短死區(qū)時(shí)間。
目前針對(duì)高波形捕獲率，不同的廠商具有不同的技術(shù)方案。鼎陽(yáng)科技自主研發(fā)的SPO技術(shù)是其高捕獲率的核心，F(xiàn)PGA并行處理通過集成波形插值、數(shù)學(xué)運(yùn)算、觸發(fā)分析等功能，實(shí)時(shí)分擔(dān)CPU壓力，確保數(shù)據(jù)處理與顯示渲染同步完成；智能內(nèi)存管理可動(dòng)態(tài)分配DDR內(nèi)存資源，支持高采樣率與深存儲(chǔ)深度協(xié)同工作，避免數(shù)據(jù)傳輸瓶頸；具備多模式顯示優(yōu)化，支持點(diǎn)顯示、矢量顯示及余輝模式，兼顧高刷新率與信號(hào)細(xì)節(jié)觀察，提升用戶對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的感知效率。
除此之外，有廠商采用DPX技術(shù)，通過專用DPX芯片直接將ADC數(shù)據(jù)映像為像素點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速刷新，早期稱為“數(shù)字熒光示波器”，但DPX模式下無(wú)法進(jìn)行精確測(cè)量，當(dāng)開啟數(shù)學(xué)分析等功能后會(huì)對(duì)捕獲率產(chǎn)生很大影響，且高端產(chǎn)品仍依賴傳統(tǒng)CPU架構(gòu)，捕獲率會(huì)有一定的受限。
也有廠商的TriggerScan技術(shù)是通過智能觸發(fā)系統(tǒng)與硬件加速處理實(shí)現(xiàn)高捕獲率，首先通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)的每個(gè)邊沿，動(dòng)態(tài)分析正常波形特征并自動(dòng)生成多樣化智能觸發(fā)設(shè)置（如斜率、周期、幅度異常等）；隨后系統(tǒng)以高速循環(huán)遍歷這些觸發(fā)條件，僅在檢測(cè)到異常時(shí)觸發(fā)采集，顯著減少傳統(tǒng)邊沿觸發(fā)固定的死區(qū)時(shí)間；同時(shí)利用硬件FPGA與專用ASIC協(xié)同并行處理并直接驅(qū)動(dòng)顯示，避免數(shù)據(jù)傳輸延遲，但專用ASIC設(shè)計(jì)導(dǎo)致設(shè)備成本較高，主要面向高端市場(chǎng)。
小結(jié)
波形捕獲率作為數(shù)字示波器的核心性能指標(biāo)，直接決定了設(shè)備捕獲瞬態(tài)異常信號(hào)的能力。本文系統(tǒng)闡釋了波形捕獲率的定義原理、技術(shù)價(jià)值與實(shí)現(xiàn)方案，揭示了其與屏幕刷新率的本質(zhì)差異——高捕獲率通過波形合成技術(shù)突破顯示瓶頸，大幅提升偶發(fā)信號(hào)捕獲概率?，F(xiàn)代示波器通過FPGA加速、DDR直連等并行架構(gòu)將捕獲率提升至百萬(wàn)幀/秒量級(jí)，其中鼎陽(yáng)科技SPO技術(shù)通過智能內(nèi)存管理和多模式顯示優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高采樣率與深存儲(chǔ)的協(xié)同工作。
下篇我們將介紹影響波形捕獲率的影響因素，并通過SDS3000X HD進(jìn)行波形捕獲率實(shí)測(cè)，敬請(qǐng)期待！
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深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“鼎陽(yáng)科技”，股票代碼：688112）是國(guó)家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器企業(yè)，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)極少數(shù)同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進(jìn)入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在馬來(lái)西亞檳城州設(shè)有生產(chǎn)基地，在美國(guó)克利夫蘭、德國(guó)奧格斯堡、日本東京成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國(guó)家及地區(qū)。
鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)
鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)（簡(jiǎn)稱鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)）由深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛”的大本營(yíng)，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)，群策群力，連接所有硬件人。有硬件問題，找鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)。
