一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究

圖2　可編程觸發(fā)模塊原理框圖。

　　中央處理模塊主要由一片高性能的DSP處理器組成。它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)控制、觸發(fā)模板的編輯、其它觸發(fā)參數(shù)的設(shè)定等工作。

　　上述模塊大部分功能集成在一款高性能的可編程邏輯器件( FPGA)中,如圖1中虛線框所示。

　　2.2　工作流程

　　其工作流程是先由用戶設(shè)定觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)的大小n,然后在所設(shè)定的模板存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)編輯觸發(fā)模板并設(shè)定相應(yīng)的觸發(fā)靈敏度S及觸發(fā)條件(大于、小于、等于和不等于) ,所設(shè)定的觸發(fā)模板可以是單一觸發(fā)模板,也可以是組合觸發(fā)模板。組合觸發(fā)模板的邏輯關(guān)系可以選擇“邏輯與”、“邏輯或”、“邏輯異或”、“邏輯同或”等。

　　設(shè)定完畢后隨即啟動(dòng)采集,采集到的原始數(shù)據(jù)送到高速數(shù)字絕對(duì)值比較器與觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果滿足觸發(fā)靈敏度設(shè)定的條件則指向觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)的第二個(gè)數(shù)據(jù),讓第二個(gè)采樣原始數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較;如果不滿足觸發(fā)靈敏度設(shè)定條件,則仍然讓第二個(gè)采樣原始數(shù)據(jù)與第一個(gè)模板數(shù)據(jù)進(jìn)行比較;以此類推,直到這段原始數(shù)據(jù)與觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)的所設(shè)定參數(shù)完全相符合時(shí),才產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)使能信號(hào),該信號(hào)再送到觸發(fā)信號(hào)合成模塊中,結(jié)合用戶設(shè)定的觸發(fā)條件進(jìn)行觸發(fā)脈沖的合成。假設(shè)原始采樣數(shù)據(jù)為X,觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)為Vn ,觸發(fā)靈敏度為S,觸發(fā)條件為等于,則絕對(duì)值比較器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(2)所示:

　　2.3　技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　該智能觸發(fā)技術(shù)除了可以滿足傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的常用觸發(fā)功能外,還提供了一種新穎的可編程觸發(fā)模式,而且實(shí)現(xiàn)成本低廉,性價(jià)比很高。用戶可以隨心所欲的設(shè)定觸發(fā)波形模板(模板可以通過人機(jī)界面在屏幕中編輯,也可以是示波器采集到的一段波形數(shù)據(jù)) ,還可以動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)觸發(fā)靈敏度等指標(biāo);而且觸發(fā)波形模板的深度可以根據(jù)觸發(fā)模板的復(fù)雜程度在一定范圍內(nèi)調(diào)整,增強(qiáng)了觸發(fā)設(shè)置的靈活性和可重構(gòu)性,采用這種方法可以輕松地捕獲較復(fù)雜波形。

　　觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是在硬件中將原始數(shù)據(jù)與觸發(fā)模板中的數(shù)據(jù)在一定靈敏度范圍內(nèi)進(jìn)行逐一比對(duì),所以對(duì)于傳統(tǒng)的任何一種觸發(fā)方式都可以通過觸發(fā)模板的設(shè)置來實(shí)現(xiàn),甚至還可以設(shè)置成等效于多種組合的觸發(fā)方式。例如,用戶可以在同一個(gè)觸發(fā)模板中既設(shè)置一定條件的脈沖寬度,又設(shè)定一個(gè)定斜率的三角波,這就等效為在觸發(fā)判別的過程中先進(jìn)行脈寬觸發(fā),然后再進(jìn)行斜率觸發(fā)。另外,還可以采用多觸發(fā)模板的方式,派生出更多、更復(fù)雜、更智能的觸發(fā)判別方法。

　　3　應(yīng)用驗(yàn)證

　　文中提出的智能觸發(fā)方案和相關(guān)電路在某型號(hào)采樣率為1GSPS,模擬帶寬為100MHz的數(shù)字存儲(chǔ)示波器產(chǎn)品中得到了實(shí)際應(yīng)用。

　　3.1　具體實(shí)現(xiàn)

　　方案的實(shí)施可以分為模數(shù)轉(zhuǎn)換與樣值存儲(chǔ)和觸發(fā)。模數(shù)轉(zhuǎn)換根據(jù)所設(shè)計(jì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器要達(dá)到的采樣速率和分辨率來選擇,這里選用4片AD I公司的250MSPS/8 bit的ADC并行采樣來實(shí)現(xiàn)1GSPS采樣率。樣值存儲(chǔ)也需根據(jù)存儲(chǔ)深度指標(biāo)的要求來選擇,目前FPGA內(nèi)部所集成的存儲(chǔ)器容量已經(jīng)達(dá)到Mbit量級(jí),能夠滿足一般場合的應(yīng)用,又因大部分觸發(fā)功能都在FPGA中實(shí)現(xiàn),故選用性價(jià)比較高的Xilinx公司Spartan3A系列FPGA.

　　觸發(fā)模塊分為一般觸發(fā)模塊和可編程觸發(fā)模塊。一般觸發(fā)模塊包括觸發(fā)電路、高速比較器、觸發(fā)產(chǎn)生與合成模塊,觸發(fā)電路主要完成觸發(fā)源的選擇、觸發(fā)信號(hào)的整形、視頻觸發(fā)信號(hào)的分離等功能,它是由一些分離元器件搭建而成;高速比較器選用AD I公司的超高速ECL比較器AD96687,它具有兩個(gè)比較器,剛好滿足本方案的要求;觸發(fā)產(chǎn)生與合成模塊是純數(shù)字電路,可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)。另外,可編程觸發(fā)模塊的實(shí)施也集成在FPGA中。它包括n個(gè)8bit的高速數(shù)字絕對(duì)值比較器、n個(gè)存儲(chǔ)深度可由用戶調(diào)節(jié)的觸發(fā)模板存儲(chǔ)區(qū)( SRAM) 、觸發(fā)靈敏度控制器以及觸發(fā)信號(hào)合成模塊四部分組成。

　　由于需要用戶編輯觸發(fā)模板,故需提供較復(fù)雜的人機(jī)接口界面,再加上數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求,中央處理器的性能就決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能,因此選用高速、高性能的嵌入式處理器。

　　3.2　異常事件的捕獲測(cè)試

　　該智能觸發(fā)技術(shù)為用戶快速查找并定位夾雜在周期信號(hào)中的異常信號(hào)提供了一種有效手段。

　　測(cè)試中只要獲取了正常信號(hào)的特征,然后再將該信號(hào)的特征作為觸發(fā)模板,使系統(tǒng)采集不滿足觸發(fā)模板的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)異常信號(hào)的捕獲,并且捕獲到的信號(hào)還可做進(jìn)一步的分析和處理。測(cè)試方法主要分為2個(gè)步驟。

　　(1)輸入被測(cè)信號(hào),設(shè)置觸發(fā)方式為普通的邊沿觸發(fā),然后開始采集,當(dāng)采集穩(wěn)定后停止,此時(shí)捕獲到的信號(hào)應(yīng)該是周期的正常信號(hào),將此時(shí)采樣得到的信號(hào)作為觸發(fā)模板保存下來;(2)打開示波器的智能觸發(fā)功能,并把上一步保存下來的觸發(fā)模板信號(hào)導(dǎo)入,設(shè)置合適的觸發(fā)靈敏度,設(shè)置觸發(fā)條件為不等于,設(shè)置觸發(fā)方式為單次觸發(fā),隨后啟動(dòng)采集,此時(shí)由于絕大部分信號(hào)是正常信號(hào),是不滿足觸發(fā)條件的波形,示波器的采集應(yīng)長時(shí)間處在等待觸發(fā)的狀態(tài)中,直到異常信號(hào)發(fā)生時(shí),示波器才完成一次采集并停止下來,這樣屏幕上觀察到的就是異常信號(hào)了。

　　圖3給出了示波器捕獲到的異常信號(hào)屏幕截圖,輸入信號(hào)是由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的5 MHz正弦信號(hào),信號(hào)中每5 s疊加了1個(gè)周期性的窄脈沖信號(hào),圖中陰影部分是設(shè)置的觸發(fā)模板示意圖。

　　采用上述測(cè)試方法的智能觸發(fā)技術(shù),一旦異常信號(hào)發(fā)生,就可以立即捕獲到此信號(hào),提高了測(cè)試效率。

圖3　采用智能觸發(fā)捕獲到的異常信號(hào)。

　　4　結(jié)束語

　　文中提出的智能觸發(fā)技術(shù)為用戶快速查找和分析夾雜在周期信號(hào)中的異常信號(hào)提供了有效手段,是對(duì)數(shù)字示波器快速采集功能的一種有益補(bǔ)充,用戶可以先利用快速采集功能觀察被測(cè)信號(hào)中是否有異常信號(hào),然后再用智能觸發(fā)功能來單獨(dú)捕捉和進(jìn)一步分析。目前該技術(shù)已申請(qǐng)專利并成功應(yīng)用于某型號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器中。