一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究

1、    一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究    一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究    類(lèi)別：測(cè)試儀表      摘要:針對(duì)測(cè)試者捕捉和觀察混雜在周期信號(hào)中的偶發(fā)、異常信號(hào)的需求,提出了一種數(shù)字存儲(chǔ)示波器的智能觸發(fā)方法。首先分析了傳統(tǒng)測(cè)試方法效率低、測(cè)量方法受限等弊端,然后介紹了智能觸發(fā)技術(shù)的總體設(shè)計(jì)方案、工作流程和技術(shù)優(yōu)勢(shì),其核心是通過(guò)硬件實(shí)時(shí)判別能任意設(shè)置的可編程觸發(fā)模板,最后給出了將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)于某型號(hào)數(shù)字存

2、儲(chǔ)示波器的具體實(shí)施方法以及應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果。測(cè)試表明,該技術(shù)具有較高的偶發(fā)、異常事件捕獲效率,是對(duì)示波器波形捕獲功能的有益補(bǔ)充。 0引言 在時(shí)域測(cè)試領(lǐng)域中,數(shù)字存儲(chǔ)示波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中,示波器對(duì)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(gè)重要指標(biāo)。 為了解決這一問(wèn)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(shí)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(guó)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(hào)的時(shí)間- 幅度(事件)信息,而且能夠以不同的輝度或顏色等級(jí)顯示事件出現(xiàn)

3、概率的數(shù)字存儲(chǔ)示波器,其最高波形捕獲率達(dá)300 000 wfmss;另一種方法是采用數(shù)字示波器的無(wú)限余輝功能,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的捕捉波形來(lái)發(fā)現(xiàn)異?；蚺及l(fā)事件。盡管通過(guò)這些方法都能夠有可能發(fā)現(xiàn)這些偶發(fā)、瞬態(tài)信號(hào),但總的來(lái)說(shuō)效率都比較低,發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)都需要較長(zhǎng)的時(shí)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(duì)測(cè)試者來(lái)說(shuō)很難正確的甄別和觀察異常信號(hào),給測(cè)試帶來(lái)不便。 針對(duì)測(cè)試者捕捉和觀察混雜在周期信號(hào)中的偶發(fā)、異常信號(hào)的需求,文中提出了一種數(shù)字存儲(chǔ)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(hào)產(chǎn)生的原因,從而提高用戶的測(cè)試效率。 1傳統(tǒng)測(cè)試方法的效率分析 數(shù)字示波器捕獲異常信號(hào)的量化方

4、法可以通過(guò)示波器每s在屏幕上累計(jì)的異常事件的次數(shù)來(lái)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(shí)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(shí)間后期望能從三維累積的波形中觀察到異常信號(hào)。 采取這種方法時(shí),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(jì)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(cè)周期信號(hào)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(guò)示波器的波形捕獲率,那么示波器能捕獲每個(gè)觸發(fā)事件,因此

5、也就能捕獲到每個(gè)異常事件;當(dāng)波形的頻率超過(guò)示波器的波形捕獲率,示波器則不能捕獲每個(gè)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(hào)頻率再除以示波器的波形捕獲率。 例如,一個(gè)信號(hào)周期100 MHz的正弦信號(hào),在該信號(hào)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 000wfmss的高性能數(shù)字存儲(chǔ)示波器來(lái)觀察,由式(1)可以計(jì)算出捕獲到該毛刺信號(hào)的時(shí)間大約是667 s,可見(jiàn)捕獲效率非常低。 由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器工作機(jī)制是采集、處理、顯示3個(gè)步驟周而復(fù)始循環(huán),在處理和顯示這兩個(gè)環(huán)節(jié)中示波器是停止采集信號(hào)的,這段時(shí)間稱(chēng)為示波器的“死區(qū)時(shí)間”。在死區(qū)時(shí)間內(nèi),示波器將漏失掉這段

6、時(shí)間的大部分波形。不難發(fā)現(xiàn)波形捕獲率和“死區(qū)時(shí)間”的關(guān)系是:波形捕獲率越高,“死區(qū)時(shí)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(hào)的能力就越強(qiáng)。 對(duì)于這種傳統(tǒng)的方法,當(dāng)信號(hào)頻率小于示波器的波形捕獲率時(shí)能夠保證在異常事件發(fā)生時(shí)捕獲到信號(hào),但一旦信號(hào)頻率超過(guò)示波器的波形捕獲率時(shí),捕獲的概率就下降了。因此大多數(shù)示波器設(shè)計(jì)了快速采集模式來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。然而,為了實(shí)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(jì)算功能,盡管用高捕獲率的示波器來(lái)觀察信號(hào),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(hào)全部疊加在一起顯示,對(duì)測(cè)試者分析異常信號(hào)帶來(lái)困難。 如果測(cè)試人員要測(cè)量

7、和分析異常信號(hào)的特征,用現(xiàn)有的方法很難實(shí)現(xiàn),且測(cè)試效率低下,為此文中設(shè)計(jì)了一種示波器的智能觸發(fā)方法,類(lèi)似任意波形發(fā)生器一樣,用戶可以通過(guò)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(guò)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),直至找到滿足觸發(fā)模板設(shè)置條件的那段信號(hào)后才產(chǎn)生1次觸發(fā),從而達(dá)到捕獲異常信號(hào)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)模塊主要由高速率8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

8、、高速率先進(jìn)先出存儲(chǔ)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(fù)責(zé)完成模擬信號(hào)的采集和有效波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。 一般觸發(fā)模塊的功能是完成傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)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(xì)分為觸發(fā)電路、2個(gè)16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 、2個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬觸發(fā)信號(hào)的整形和電平變換; 2個(gè)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(hào)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(jìn)行計(jì)算和判別,最后送出滿足要求

9、的觸發(fā)信號(hào)。 可編程觸發(fā)模塊是實(shí)現(xiàn)智能觸發(fā)的核心。如圖2,它包括n個(gè)8 bit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。 觸發(fā)選擇與觸發(fā)釋抑模塊由一個(gè)多路選擇器和觸發(fā)釋抑控制器組成。多路選擇器負(fù)責(zé)完成一般觸發(fā)信號(hào)和可編程觸發(fā)信號(hào)的選擇;觸發(fā)釋抑是發(fā)生正確觸發(fā)后的一段時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi),示波器不能觸發(fā)。當(dāng)觸發(fā)源是復(fù)雜波形的時(shí)候,該特性能發(fā)揮作用,其結(jié)果是,只有在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)點(diǎn)示波器才能觸發(fā)。 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

10、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

11、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(lèi)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?xún)r(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(guò)人

12、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(guò)觸發(fā)模板的設(shè)置來(lái)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(guò)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)

13、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(lái)選擇,這里選用4片AD I公司的250MSPS/8 bit的ADC并行采樣來(lái)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(lái)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(chǎng)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?xún)r(jià)比較高的Xilinx公司

14、Spartan 3A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

15、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(lái)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(kāi)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(lái);(2)打開(kāi)示波器的智能觸發(fā)功能,并把上一步保存下來(lái)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(zhǎng)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(lái),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