一種數(shù)字存儲示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究

　　在時域測試領(lǐng)域中,數(shù)字存儲示波器的應(yīng)用越來越廣泛。其中,示波器對偶發(fā)、瞬態(tài)事件的捕獲能力成為衡量其數(shù)據(jù)采集性能的一個重要指標。

　　為了解決這一問題,通常采取的措施有2種:一種是示波器的波形采集和顯示采用并行處理架構(gòu),從而提高示波器單位時間內(nèi)捕獲并顯示波形的幅數(shù),即提高示波器的波形捕獲率。

　　捕獲率越高,示波器捕獲到異常事件的概率越高。如美國泰克公司推出的數(shù)字熒光示波器,它是一種不僅能捕獲和顯示信號的時間- 幅度(事件)信息,而且能夠以不同的輝度或顏色等級顯示事件出現(xiàn)概率的數(shù)字存儲示波器,其最高波形捕獲率達300 000 wfms/ s;另一種方法是采用數(shù)字示波器的無限余輝功能,通過長時間的捕捉波形來發(fā)現(xiàn)異?；蚺及l(fā)事件。盡管通過這些方法都能夠有可能發(fā)現(xiàn)這些偶發(fā)、瞬態(tài)信號,但總的來說效率都比較低,發(fā)現(xiàn)這些信號都需要較長的時間,且由于這兩種方法都將多次觸發(fā)采集的波形疊加在一起,對測試者來說很難正確的甄別和觀察異常信號,給測試帶來不便。

　　針對測試者捕捉和觀察混雜在周期信號中的偶發(fā)、異常信號的需求,文中提出了一種數(shù)字存儲示波器的智能觸發(fā)方法,以便能更加自如的觀察和分析故障信號產(chǎn)生的原因,從而提高用戶的測試效率。

　　1　傳統(tǒng)測試方法的效率分析

　　數(shù)字示波器捕獲異常信號的量化方法可以通過示波器每s在屏幕上累計的異常事件的次數(shù)來表示。也可以轉(zhuǎn)化為在屏幕上看到相鄰兩次異常事件的平均時間。

　　傳統(tǒng)方法是采用具有較高波形捕獲率的數(shù)字熒光示波器,觸發(fā)方式采用邊沿觸發(fā),觀察疊加顯示的波形,等待一段時間后期望能從三維累積的波形中觀察到異常信號。

　　采取這種方法時,異常事件的捕獲率與波形的頻率、示波器的波形捕獲率和異常事件發(fā)生的統(tǒng)計概率等相關(guān)。設(shè)示波器捕獲某異常事件的概率為PA ,示波器的波形捕獲率是PW ,異常事件出現(xiàn)的平均周期是TA ,被測周期信號的頻率是f0 ,可以得到下面的關(guān)系式:

　　從式(1)中可以看出,如果波形的頻率不超過示波器的波形捕獲率,那么示波器能捕獲每個觸發(fā)事件,因此也就能捕獲到每個異常事件;當波形的頻率超過示波器的波形捕獲率,示波器則不能捕獲每個觸發(fā)事件,每s捕獲到異常事件的次數(shù)等于異常事件發(fā)生的周期乘以信號頻率再除以示波器的波形捕獲率。

　　例如,一個信號周期100 MHz的正弦信號,在該信號中平均每隔2 s出現(xiàn)1 次毛刺干擾, 采用波形捕獲率為300 000wfms/ s的高性能數(shù)字存儲示波器來觀察,由式(1)可以計算出捕獲到該毛刺信號的時間大約是667 s,可見捕獲效率非常低。

　　由于數(shù)字存儲示波器工作機制是采集、處理、顯示3個步驟周而復(fù)始循環(huán),在處理和顯示這兩個環(huán)節(jié)中示波器是停止采集信號的,這段時間稱為示波器的“死區(qū)時間”。在死區(qū)時間內(nèi),示波器將漏失掉這段時間的大部分波形。不難發(fā)現(xiàn)波形捕獲率和“死區(qū)時間”的關(guān)系是:波形捕獲率越高,“死區(qū)時間”越小,那么采集波形的漏失率就越低,發(fā)現(xiàn)并捕獲異常事件或瞬態(tài)信號的能力就越強。

　　對于這種傳統(tǒng)的方法,當信號頻率小于示波器的波形捕獲率時能夠保證在異常事件發(fā)生時捕獲到信號,但一旦信號頻率超過示波器的波形捕獲率時,捕獲的概率就下降了。因此大多數(shù)示波器設(shè)計了快速采集模式來彌補這一缺點。然而,為了實現(xiàn)這種采集模式卻犧牲了數(shù)字示波器主要的分析和計算功能,盡管用高捕獲率的示波器來觀察信號,也只能起到觀察疊加波形軌跡的作用,而且大部分正常和少部分異常信號全部疊加在一起顯示,對測試者分析異常信號帶來困難。

　　如果測試人員要測量和分析異常信號的特征,用現(xiàn)有的方法很難實現(xiàn),且測試效率低下,為此文中設(shè)計了一種示波器的智能觸發(fā)方法,類似任意波形發(fā)生器一樣,用戶可以通過任意的設(shè)置不同的觸發(fā)模板,再將觸發(fā)模板轉(zhuǎn)換為硬件觸發(fā)比較的條件,通過對被測信號進行實時監(jiān)測,直至找到滿足觸發(fā)模板設(shè)置條件的那段信號后才產(chǎn)生1次觸發(fā),從而達到捕獲異常信號的目的。

　　2　智能觸發(fā)技術(shù)

　　2.1　總體方案

　　智能觸發(fā)技術(shù)的總體方案如圖1所示,主要由采集和樣值存儲模塊、一般觸發(fā)模塊、可編程觸發(fā)模塊、觸發(fā)選擇與觸發(fā)釋抑模塊、中央處理模塊五大部分及與之相對應(yīng)的處理軟件組成。

圖1　智能觸發(fā)方案系統(tǒng)框圖。

　　采集和樣值存儲模塊主要由高速率8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 、高速率先進先出存儲器( F IFO) 、采樣控制模塊并輔以相應(yīng)的邏輯控制電路組成,負責完成模擬信號的采集和有效波形數(shù)據(jù)的存儲功能。

　　一般觸發(fā)模塊的功能是完成傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器的大部分觸發(fā)功能,即邊沿觸發(fā)、視頻觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、斜率觸發(fā)等。

　　它的組成可以細分為觸發(fā)電路、2個16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 、2個高速比較器、觸發(fā)產(chǎn)生與合成模塊四部分組成。觸發(fā)電路實現(xiàn)對輸入模擬觸發(fā)信號的整形和電平變換; 2個模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別為高速比較器提供用戶可以任意設(shè)置的觸發(fā)比較電平,觸發(fā)信號與比較器比較后的輸出送入到觸發(fā)產(chǎn)生和合成模塊中;觸發(fā)產(chǎn)生和合成模塊根據(jù)用戶所選擇的觸發(fā)方式進行計算和判別,最后送出滿足要求的觸發(fā)信號。

　　可編程觸發(fā)模塊是實現(xiàn)智能觸發(fā)的核心。如圖2,它包括n個8 bit的高速數(shù)字絕對值比較器、n個存儲深度可由用戶調(diào)節(jié)的觸發(fā)模板存儲區(qū)(SRAM) 、觸發(fā)靈敏度控制器以及觸發(fā)信號合成模塊四部分組成。

　　觸發(fā)選擇與觸發(fā)釋抑模塊由一個多路選擇器和觸發(fā)釋抑控制器組成。多路選擇器負責完成一般觸發(fā)信號和可編程觸發(fā)信號的選擇;觸發(fā)釋抑是發(fā)生正確觸發(fā)后的一段時間,在這段時間內(nèi),示波器不能觸發(fā)。當觸發(fā)源是復(fù)雜波形的時候,該特性能發(fā)揮作用,其結(jié)果是,只有在適當?shù)挠|發(fā)點示波器才能觸發(fā)。