示波器波形捕获率的定义和作用

波形捕获率的定义与核心概念

波形捕获率（Waveform Capture Rate）是数字示波器的关键指标之一，指单位时间内示波器能够捕获并显示波形的次数，通常以“次/秒”或“帧/秒”为单位。其本质是衡量示波器在单位时间内对信号变化的响应能力。

从原理上看，示波器的工作周期分为“有效捕获时间”和“死区时间”，“有效捕获时间”是信号采样并存储的阶段，而“死区时间”则是处理数据、更新显示的耗时。波形捕获率的计算公式为：

波形捕获率=1/（有效捕获时间+死区时间）

死区时间占比越大，捕获率越低，漏失异常信号的风险越高。

波形捕获率的作用与技术价值

波形捕获率作为示波器的核心性能指标，其作用在于通过高频次的信号采集能力，确保对瞬态现象（如毛刺、脉冲干扰等）的有效捕捉，从而提升信号完整性分析的准确性。这一特性在高速数字电路调试、通信协议验证及电力电子设备监测等场景中尤为关键，能够显著提高故障复现率与异常信号的检测效率，高捕获率可避免信号盲区，为工程师提供更完整的波形细节，从而优化系统设计与可靠性验证。

数字示波器在捕获异常方面的有用性指标是示波器能够在屏幕上累积的平均每秒异常数量。其倒数则是在屏幕上看到异常所需的平均时间。传统上，方法是使示波器处于边沿触发（上升沿或下降沿）模式，并查看每次采集时重叠的持续轨迹。等待一段时间后，希望其中一条轨迹能够显示出异常。

当使用这种方法时，异常捕获率可以根据波形的边沿速率（即每秒钟触发到波形的上升沿或下降沿数量，数值上与波形频率相等）、示波器的捕获速率以及异常发生的统计频率来计算，其计算公式如下：

每秒的异常现象捕获到的=Min（最大波形捕获率，波形边沿速率）*每秒的异常现象/波形边沿速率

这意味着，如果波形的边沿速率不超过示波器的捕获速率，那么示波器会捕获每一个边沿（因此也会捕获每一个异常）。当波形的边沿速率超过示波器的捕获速率时，示波器无法捕获每一个边沿，此时每秒捕获的异常数量等于示波器的捕获速率乘以异常发生的速率与波形边沿速率的比值。

让我们以如下情况为例：在一个200 MHz的时钟上，异常（比如一个毛刺）以每5秒一次的频率发生，使用波形捕获速率为每秒100,000次的示波器，根据上述的公式进行计算：

每秒的异常现象捕获到的=Min（100k，200M）*1/5 /200M=0.0001个

那么捕获到一次异常需要的时间就是10000s，也就是说平均需要2.8小时才能检测到一次异常！

因此，当边沿速率低于示波器捕获速率时，一切工作正常；但当边沿速率超过示波器捕获速率时，情况就会恶化。这就是为什么许多示波器制造商开发了波形捕获速率非常高的示波器。

从技术价值层面看，波形捕获率的提升依赖于硬件与算法的协同创新。高速模数转换器与深存储技术的突破，结合并行处理架构与智能算法，不仅实现了每秒百万次级别的波形捕获能力，还通过实时数据处理与动态刷新率优化，增强了用户对复杂信号的直观观测体验。

2波形捕获率和屏幕刷新率（60Hz）有什么关系

波形捕获率是示波器每秒完成“采集-处理-显示”完整波形的次数，而屏幕刷新率是显示器硬件每秒物理刷新显示内容的次数。

两者关系的核心逻辑是：

捕获率是波形更新的“源头”，捕获率决定了示波器每秒生成多少帧波形数据，若捕获率<刷新率，屏幕会因数据不足出现卡顿；屏幕刷新率是波形显示的“瓶颈”，虽然波形捕获率远高于屏幕刷新率，但实际显示效果受限于后者，屏幕刷新率60Hz表示实际效果屏幕显示60帧/秒。

那么，示波器的捕获率非常高，有些示波器可达百万帧/秒，但屏幕刷新率却只有60Hz，那岂不是这么高的捕获率没有用了？

当然不是。高捕获率的价值并不会因为屏幕刷新率的受限而消失，示波器可通过波形合成技术，将多帧数据叠加显示在一帧画面中。例如，每秒生成的百万帧波形会被压缩，合成到60张屏幕画面中，每张画面包含数万帧波形信息。这种技术使得屏幕虽然刷新率低，但每帧显示的波形密度极高，用户仍能观察到连续的波形变化。

此外，高捕获率缩短了死区时间，显著提升了捕获偶发信号的概率，即使屏幕仅每秒更新60次，高捕获率的示波器仍能在每次更新时提供更丰富的波形细节，减少信号遗漏。例如，当调试包含高频毛刺的电路时，高捕获率示波器能在极短时间内捕获大量波形数据，合成到屏幕显示中，从而更易发现异常信号，而低捕获率的示波器即使屏幕刷新率相同，也可能因死区时间过长，导致关键波形被遗漏，因此，高捕获率的核心优势在于提升信号完整性分析能力，而非直接提升屏幕显示的流畅度。

03现代示波器的高波形捕获率是如何实现的？

传统数字示波器依赖CPU进行波形处理与显示，导致数据处理成为瓶颈，现代高捕获率示波器通过并行处理架构突破这一限制：

FPGA加速：采用现场可编程门阵列（FPGA）分担CPU压力，实时处理波形数据与显示渲染。

DDR内存直连：ADC采样数据直接写入DDR内存，避免传统采集存储器的串行传输延迟。

数字触发系统：替代模拟触发，提升触发响应速度并支持复杂触发模式。

死区时间由数据处理时间主导，通过硬件并行化设计，将波形采集、处理、显示流程解耦，可显著缩短死区时间。

目前针对高波形捕获率，不同的厂商具有不同的技术方案。鼎阳科技自主研发的SPO技术是其高捕获率的核心，FPGA并行处理通过集成波形插值、数学运算、触发分析等功能，实时分担CPU压力，确保数据处理与显示渲染同步完成；智能内存管理可动态分配DDR内存资源，支持高采样率与深存储深度协同工作，避免数据传输瓶颈；具备多模式显示优化，支持点显示、矢量显示及余辉模式，兼顾高刷新率与信号细节观察，提升用户对瞬态信号的感知效率。

除此之外，有厂商采用DPX技术，通过专用DPX芯片直接将ADC数据映像为像素点，实现快速刷新，早期称为“数字荧光示波器”，但DPX模式下无法进行精确测量，当开启数学分析等功能后会对捕获率产生很大影响，且高端产品仍依赖传统CPU架构，捕获率会有一定的受限。

也有厂商的TriggerScan技术是通过智能触发系统与硬件加速处理实现高捕获率，首先通过实时监测信号的每个边沿，动态分析正常波形特征并自动生成多样化智能触发设置（如斜率、周期、幅度异常等）；随后系统以高速循环遍历这些触发条件，仅在检测到异常时触发采集，显著减少传统边沿触发固定的死区时间；同时利用硬件FPGA与专用ASIC协同并行处理并直接驱动显示，避免数据传输延迟，但专用ASIC设计导致设备成本较高，主要面向高端市场。

小结

波形捕获率作为数字示波器的核心性能指标，直接决定了设备捕获瞬态异常信号的能力。本文系统阐释了波形捕获率的定义原理、技术价值与实现方案，揭示了其与屏幕刷新率的本质差异——高捕获率通过波形合成技术突破显示瓶颈，大幅提升偶发信号捕获概率。现代示波器通过FPGA加速、DDR直连等并行架构将捕获率提升至百万帧/秒量级，其中鼎阳科技SPO技术通过智能内存管理和多模式显示优化，实现了高采样率与深存储的协同工作。

下篇我们将介绍影响波形捕获率的影响因素，并通过SDS3000X HD进行波形捕获率实测，敬请期待！

作者丨鼎阳科技 张一慧

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