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随机交叉采样（RIS）

Peter J. Pupalaikis, 产品营销经理

WaveMster 示波器

LeCroy 公司

引言

随机交叉采样（RIS）模式是一个在LeCroy示波器中可以实现的功能。这是模式可以采集有效采样频率很高的波形。这个模式带来了许多实实在在的好处的。我们应该去了解RIS模式是什么以及它是如何工作的，这样我们就可以知道在这种模式下操作有哪些优势以及局限。

当时基被设置成20us或者更低时，RIS模式可以在时基设置菜单中选择。

RIS是一个特别的模式，因此它操作起来和传统的采集模式不同。并且它需要专门的知识理解才能进行合理的操作。

LeCroy示波器平时不会进入RIS模式，除非用户特意在时基菜单中的按键去选择。

RIS工作原理

RIS在DSO中运用了一个非常重要的硬件，时间-数字转换器（TDC）。TDC是可以用来矫正在样本之间放置的触发位置的硬件。尽管大多数用于触发放置的触发器和时基的硬件都是数字化的，换句话说它们可以确认哪一个采样触发发生，但是TDC是一个模拟和数字结合的硬件。它是一种从触发开始到下一个采样, 用恒定斜率充电的设备。 然后, 它在恒定的, 更低的斜率下放电, 这使它可以提供非常精确的时间分辨率。 放电时间是用时钟计数器排列测量的。

在WaveMaster示波器上，10GS/s下，样本之间的时间是100ps。对于在取样后发生的触发，放电时间最大值大约在5us。时间的测量时钟速率约为 100 mhz, 以获得亚皮秒的分辨率。

一个有趣的事实是, 最大可能的 RIS采样率仅由 TDC分辨率决定!

在 RIS模式下, 从TDC读取的值用于连续获取并储存。 对一个波形进行多次采集, 然后 TDC的值被用来进行对每次采样选择和组织以进行交叉。 只要输入波形和作用域的采样时钟之间没有关系, TDC的值是完全是随机的。

一旦波形被获取储存, 它们就会交叉在一起, 形成一个单一的具有高采样率的波形。

这个波形有很多重要的特征：

1．最重要的是-这个波形是由很多个采集合成的-换句话说，用来交叉形成最终波形的片段都是在时间上不同的点获得的。

2. 交叉顺序与波形何时获得没有任何关系--交叉顺序仅取决于采集时读取的 TDC的值, 并且完全是随机的。

然而这些特性严重限制了RIS的使用。波形需要用很多个不同，时间上随机采样点形成的片段来合成的事实限制了这个特性在特定运用上的有效性。为了运用RIS，必须遵循以下的各项要求：

1. 波形必须是重复的
2. 每次扫描的触发事件必须相同。

综上所述，重复是关键。 RIS假设获取的每个波形段都是完全相同的模拟波形。 此外, 它还假定在每次采集时, 在波形中的同一位置触发相同的模拟波形。 唯一的区别是采样阶段 (触发发生的地方与样本的关系) 正在改变。

这些对重复的限制是非常重要的的。 这意味着波形必须是重复的, 触发器必须是稳定的, 并且在这种模式下, 波形的非重复性质 (如抖动等) 都不能正确测量。 如果不遵守这些限制, 就会导致波形严重扭曲, 没有任何用处, 也不会进行错误的测量。

因为这些限制都特别的重要，有人可能会问，那什么时候可以用RIS和为什么要用RIS呢？在解释这些之前，我先来介绍一下RIS的历史。

RIS的历史

数字实时示波器的出现使范围发生了革命性的变化。 它让从前两个不可能的重要的事情在现在得到了实现。 首先, 它支持在单次拍摄中采集单个波形。 它还使用计算机来进行测量和处理成为可能。 从前没有一个波形可以被用来采集和分析。 尽管有这种令人难以置信的功能, 但仅靠此功能并不允许它取代模拟作用域。 模拟示波器能够在波形上以较高的速率重复触发, 并在屏幕上叠加波形。 为此, 持久性模式得到了发展。 模拟持久性创建一个类似于模拟示波器的显示。 但是, 模拟持久性的显示方式与模拟示波器显示的方式相同, 因为无法执行任何处理。 在处理波形方面数字示波器非常出色，但它不能持久性显示。 为了克服这一点, RIS 诞生了。 虽然它不处理持久的地图，但是它通过累加，重复的采样来制造波形。

在RIS的发展之后，LeCroy在持久映射的处理上得到了很大的进步。尽管如此，RIS模式仍然因为一个特定的原因而存在——当得出来的波形被创造出来并被处理时示波器控制。在持久性映射的处理中，映射本身在不确定的扫描次数上构建，直到满足示波器用户。只有这样，示波器用户才能处理该映射的平均值。此外，在LeCroy示波器中，屏幕本身决定持久性映射的分辨率，因此分辨率是水平屏幕像素数量和获取时间的函数。

为了处理与当今许多波形相关的眼图和其他时变现象，已经创建了其他方法来分析这些非重复波形。

为什么用RIS

当触发事件与采样时钟异步且产生重复波形且波形的任何变异性未被分析时，以及当噪声较低时，需要单波形结果进行处理时，RIS是非常有用的。当不需要这些要求时，它的效用就会减少或消失，因为:

RIS用处很大的运用包括：

1. 重复刺激的信号完整性测量，如TDR脉冲重复应用到电路。通常，刺激的重复频率使得电路在脉冲之间达到相同的放松状态。
2. 需要对时间和阈值交叉进行自动、高精度测量的设备特性。

RIS用处不大的运用包括：

1. 扰动测量
2. 眼图分析
3. 噪声测量

一个简单的例子

一个例子有助于理解RIS的工作原理及其局限性。

考虑时钟边缘的处理，其中RIS使用的所有要求都已经满足。对于本例，假设作用域的实时采样率为20 GS/s，并生成100 GS/s RIS采集。以下是RIS可能的工作情况：

这就是RIS采样的过程。当正确使用时，将创建一个非常有用的波形，此波形可以使用LeCroy的非常有用的波形处理函数来查看、分析和处理。

不稳定触发的例子

我们继续用前面用到的例子然后看看当RIS不恰当用到会发生什么，当只有稳定的触发器不能产生的情况

这个例子演示了不稳定触发的结果。合成的波形是一个无噪声，无人工再现的模拟波形，但上升的边缘是模糊的。产生的波形严重失真，没有用处。由此可以得出结论，由于上升时间减少，RIS带宽也减少了。这将是一个不正确的结论，因为较低的上升时间只是由于波形的非重复性。

另一个例子-眼图

在之前讨论过的，眼图是不应该被运用在RIS模式中的。这里显示了如果运用了眼图会发生什么：