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）是數字示波器的關鍵指標之一，指單位時間內示波器能夠捕獲并顯示波形的次數，通常以“次/秒”或“幀/秒”為單位。其本質是衡量示波器在單位時間內對信號變化的響應能力。
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”則是處理數據、更新顯示的耗時。波形捕獲率的計算公式為：
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，漏失異常信號的風險越高。
波形捕獲率的作用與技術價值
波形捕獲率作為示波器的核心性能指標，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確性。這一特性在高速數字電路調試、通信協(xié)議驗證及電力電子設備監(jiān)測等場景中尤為關鍵，能夠顯著提高故障復現(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節(jié)，從而優(yōu)化系統(tǒng)設計與可靠性驗證。
數字示波器在捕獲異常方面的有用性指標是示波器能夠在屏幕上累積的平均每秒異常數量。其倒數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。
當使用這種方法時，異常捕獲率可以根據波形的邊沿速率（即每秒鐘觸發(fā)到波形的上升沿或下降沿數量，數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)計頻率來計算，其計算公式如下：
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，那么示波器會捕獲每一個邊沿（因此也會捕獲每一個異常）。當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，根據上述的公式進行計算：
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，當邊沿速率低于示波器捕獲速率時，一切工作正常；但當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。
從技術價值層面看，波形捕獲率的提升依賴于硬件與算法的協(xié)同創(chuàng)新。高速模數轉換器與深存儲技術的突破，結合并行處理架構與智能算法，不僅實現(xiàn)了每秒百萬次級別的波形捕獲能力，還通過實時數據處理與動態(tài)刷新率優(yōu)化，增強了用戶對復雜信號的直觀觀測體驗。
2、波形捕獲率和屏幕刷新率（60Hz）有什么關系
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，而屏幕刷新率是顯示器硬件每秒物理刷新顯示內容的次數。
兩者關系的核心邏輯是：
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據，若捕獲率<刷新率，屏幕會因數據不足出現(xiàn)卡頓；屏幕刷新率是波形顯示的“瓶頸”，雖然波形捕獲率遠高于屏幕刷新率，但實際顯示效果受限于后者，屏幕刷新率60Hz表示實際效果屏幕顯示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？
當然不是。高捕獲率的價值并不會因為屏幕刷新率的受限而消失，示波器可通過波形合成技術，將多幀數據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，每張畫面包含數萬幀波形信息。這種技術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節(jié)，減少信號遺漏。例如，當調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捕獲大量波形數據，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，導致關鍵波形被遺漏，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現(xiàn)的？
傳統(tǒng)數字示波器依賴CPU進行波形處理與顯示，導致數據處理成為瓶頸，現(xiàn)代高捕獲率示波器通過并行處理架構突破這一限制：
FPGA加速：采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）分擔CPU壓力，實時處理波形數據與顯示渲染。
DDR內存直連：ADC采樣數據直接寫入DDR內存，避免傳統(tǒng)采集存儲器的串行傳輸延遲。
數字觸發(fā)系統(tǒng)：替代模擬觸發(fā)，提升觸發(fā)響應速度并支持復雜觸發(fā)模式。
死區(qū)時間由數據處理時間主導，通過硬件并行化設計，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方案。鼎陽科技自主研發(fā)的SPO技術是其高捕獲率的核心，F(xiàn)PGA并行處理通過集成波形插值、數學運算、觸發(fā)分析等功能，實時分擔CPU壓力，確保數據處理與顯示渲染同步完成；智能內存管理可動態(tài)分配DDR內存資源，支持高采樣率與深存儲深度協(xié)同工作，避免數據傳輸瓶頸；具備多模式顯示優(yōu)化，支持點顯示、矢量顯示及余輝模式，兼顧高刷新率與信號細節(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，通過專用DPX芯片直接將ADC數據映像為像素點，實現(xiàn)快速刷新，早期稱為“數字熒光示波器”，但DPX模式下無法進行精確測量，當開啟數學分析等功能后會對捕獲率產生很大影響，且高端產品仍依賴傳統(tǒng)CPU架構，捕獲率會有一定的受限。
也有廠商的TriggerScan技術是通過智能觸發(fā)系統(tǒng)與硬件加速處理實現(xiàn)高捕獲率，首先通過實時監(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動顯示，避免數據傳輸延遲，但專用ASIC設計導致設備成本較高，主要面向高端市場。
小結
波形捕獲率作為數字示波器的核心性能指標，直接決定了設備捕獲瞬態(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、技術價值與實現(xiàn)方案，揭示了其與屏幕刷新率的本質差異——高捕獲率通過波形合成技術突破顯示瓶頸，大幅提升偶發(fā)信號捕獲概率?，F(xiàn)代示波器通過FPGA加速、DDR直連等并行架構將捕獲率提升至百萬幀/秒量級，其中鼎陽科技SPO技術通過智能內存管理和多模式顯示優(yōu)化，實現(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進行波形捕獲率實測，敬請期待！
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SIGLENT
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