作者丨鼎陽科技 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間內(nèi)對信號變化的響應(yīng)能力。
從原理上看，示波器的工作周期分為“有效捕獲時間”和“死區(qū)時間”，“有效捕獲時間”是信號采樣并存儲的階段，而“死區(qū)時間”則是處理數(shù)據(jù)、更新顯示的耗時。波形捕獲率的計(jì)算公式為：
波形捕獲率=1/（有效捕獲時間+死區(qū)時間）
死區(qū)時間占比越大，捕獲率越低，漏失異常信號的風(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采集能力，確保對瞬態(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)測等場景中尤為關(guān)鍵，能夠顯著提高故障復(fù)現(xiàn)率與異常信號的檢測效率，高捕獲率可避免信號盲區(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，并查看每次采集時重疊的持續(xù)軌跡。等待一段時間后，希望其中一條軌跡能夠顯示出異常。
當(dāng)使用這種方法時，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)頻率來計(jì)算，其計(jì)算公式如下：
每秒的異常現(xiàn)象捕獲到的=Min（最大波形捕獲率，波形邊沿速率）*每秒的異常現(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，那么示波器會捕獲每一個邊沿（因此也會捕獲每一個異常）。當(dāng)波形的邊沿速率超過示波器的捕獲速率時，示波器無法捕獲每一個邊沿，此時每秒捕獲的異常數(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200 MHz的時鐘上，異常（比如一個毛刺）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?，F(xiàn)象捕獲到的=Min（100k，200M）*1/5 /200M=0.0001個
那么捕獲到一次異常需要的時間就是10000s，也就是說平均需要2.8小時才能檢測到一次異常！
因此，當(dāng)邊沿速率低于示波器捕獲速率時，一切工作正常；但當(dāng)邊沿速率超過示波器捕獲速率時，情況就會惡化。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)了每秒百萬次級別的波形捕獲能力，還通過實(shí)時數(shù)據(jù)處理與動態(tài)刷新率優(yōu)化，增強(qiáng)了用戶對復(fù)雜信號的直觀觀測體驗(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，每秒生成的百萬幀波形會被壓縮，合成到60張屏幕畫面中，每張畫面包含數(shù)萬幀波形信息。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)時間，顯著提升了捕獲偶發(fā)信號的概率，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提供更豐富的波形細(xì)節(jié)，減少信號遺漏。例如，當(dāng)調(diào)試包含高頻毛刺的電路時，高捕獲率示波器能在極短時間內(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，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)時間過長，導(dǎo)致關(guān)鍵波形被遺漏，因此，高捕獲率的核心優(yōu)勢在于提升信號完整性分析能力，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)場可編程門陣列（FPGA）分擔(dān)CPU壓力，實(shí)時處理波形數(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)時間由數(shù)據(jù)處理時間主導(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)時間。
目前針對高波形捕獲率，不同的廠商具有不同的技術(shù)方案。鼎陽科技自主研發(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)存管理可動態(tài)分配DDR內(nèi)存資源，支持高采樣率與深存儲深度協(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細(xì)節(jié)觀察，提升用戶對瞬態(tài)信號的感知效率。
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模式下無法進(jìn)行精確測量，當(dāng)開啟數(shù)學(xué)分析等功能后會對捕獲率產(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)時監(jiān)測信號的每個邊沿，動態(tài)分析正常波形特征并自動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，僅在檢測到異常時觸發(fā)采集，顯著減少傳統(tǒng)邊沿觸發(fā)固定的死區(qū)時間；同時利用硬件FPGA與專用ASIC協(xié)同并行處理并直接驅(qū)動顯示，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。
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)信號捕獲概率。現(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幀/秒量級，其中鼎陽科技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，敬請期待！
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SIGLENT
深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國家重點(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試測量儀器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測試測量儀器企業(yè)，同時也是國內(nèi)極少數(shù)同時擁有這四大主力產(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，在馬來西亞檳城州設(shè)有生產(chǎn)基地，在美國克利夫蘭、德國奧格斯堡、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多個國家及地區(qū)。
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