一種數(shù)字存儲示波器智能觸發(fā)技術研究

1、    一種數(shù)字存儲示波器智能觸發(fā)技術研究    一種數(shù)字存儲示波器智能觸發(fā)技術研究    類別：測試儀表      摘要: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,提出了一種數(shù)字存儲示波器的智能觸發(fā)方法。首先分析了傳統(tǒng)測試方法效率低、測量方法受限等弊端,然后介紹了智能觸發(fā)技術的總體設計方案、工作流程和技術優(yōu)勢,其核心是通過硬件實時判別能任意設置的可編程觸發(fā)模板,最后給出了將該技術實現(xiàn)于某型號數(shù)字存

2、儲示波器的具體實施方法以及應用驗證結果。測試表明,該技術具有較高的偶發(fā)、異常事件捕獲效率,是對示波器波形捕獲功能的有益補充。 0引言 在時域測試領域中,數(shù)字存儲示波器的應用越來越廣泛。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,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)

3、概率的數(shù)字存儲示波器,其最高波形捕獲率達300 000 wfmss;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

4、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。設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

5、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 000wfmss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

6、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

7、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 2.1總體方案 智能觸發(fā)技術的總體方案如圖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)

8、、高速率先進先出存儲器( F IFO) 、采樣控制模塊并輔以相應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

9、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)源是復雜波形的時候,該特性能發(fā)揮作用,其結果是,只有在適當?shù)挠|發(fā)點示波器才能觸發(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。它主要負責數(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定觸發(fā)模板存儲區(qū)的大小n,然后在所設定的模板存儲區(qū)內(nèi)編輯觸發(fā)模板并設定相應的觸發(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)模板的邏輯關系可以選擇“邏輯與”、“邏輯或”、“邏輯異或”、“邏輯同或”等。 設定完畢后隨即啟動采集,采集到的原始數(shù)據(jù)送到高速數(shù)字絕對值比較器與觸發(fā)模板存儲區(qū)的第一個數(shù)據(jù)進行比較,如果滿足觸發(fā)靈敏度設定的條件則指向觸發(fā)模板存儲區(qū)的第二個數(shù)據(jù),讓

11、第二個采樣原始數(shù)據(jù)與其進行比較;如果不滿足觸發(fā)靈敏度設定條件,則仍然讓第二個采樣原始數(shù)據(jù)與第一個模板數(shù)據(jù)進行比較;以此類推,直到這段原始數(shù)據(jù)與觸發(fā)模板存儲區(qū)的所設定參數(shù)完全相符合時,才產(chǎn)生一個觸發(fā)使能信號,該信號再送到觸發(fā)信號合成模塊中,結合用戶設定的觸發(fā)條件進行觸發(fā)脈沖的合成。假設原始采樣數(shù)據(jù)為X,觸發(fā)模板存儲區(qū)的數(shù)據(jù)為Vn ,觸發(fā)靈敏度為S,觸發(fā)條件為等于,則絕對值比較器的數(shù)學表達式如式(2)所示: 2.3技術優(yōu)點 該智能觸發(fā)技術除了可以滿足傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器的常用觸發(fā)功能外,還提供了一種新穎的可編程觸發(fā)模式,而且實現(xiàn)成本低廉,性價比很高。用戶可以隨心所欲的設定觸發(fā)波形模板(模板可以通過人

12、機界面在屏幕中編輯,也可以是示波器采集到的一段波形數(shù)據(jù)) ,還可以動態(tài)的調(diào)節(jié)觸發(fā)靈敏度等指標;而且觸發(fā)波形模板的深度可以根據(jù)觸發(fā)模板的復雜程度在一定范圍內(nèi)調(diào)整,增強了觸發(fā)設置的靈活性和可重構性,采用這種方法可以輕松地捕獲較復雜波形。 觸發(fā)信號產(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)進行逐一比對,所以對于傳統(tǒng)的任何一種觸發(fā)方式都可以通過觸發(fā)模板的設置來實現(xiàn),甚至還可以設置成等效于多種組合的觸發(fā)方式。例如,用戶可以在同一個觸發(fā)模板中既設置一定條件的脈沖寬度,又設定一個定斜率的三角波,這就等效為在觸發(fā)判別的過程中先進行脈寬觸發(fā),然后再進行斜率觸發(fā)。另外,還可以采用多觸發(fā)

13、模板的方式,派生出更多、更復雜、更智能的觸發(fā)判別方法。 3應用驗證 文中提出的智能觸發(fā)方案和相關電路在某型號采樣率為1GSPS,模擬帶寬為100MHz的數(shù)字存儲示波器產(chǎn)品中得到了實際應用。 3.1具體實現(xiàn) 方案的實施可以分為模數(shù)轉(zhuǎn)換與樣值存儲和觸發(fā)。模數(shù)轉(zhuǎn)換根據(jù)所設計數(shù)字存儲示波器要達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并行采樣來實現(xiàn)1GSPS采樣率。樣值存儲也需根據(jù)存儲深度指標的要求來選擇,目前FPGA內(nèi)部所集成的存儲器容量已經(jīng)達到Mbit量級,能夠滿足一般場合的應用,又因大部分觸發(fā)功能都在FPGA中實現(xiàn),故選用性價比較高的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)信號的整形、視頻觸發(fā)信號的分離等功能,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中實現(xiàn)。另外,可編程觸發(fā)模塊的實施也集成在FPGA中。它包括n個8bit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。 由于需要用

15、戶編輯觸發(fā)模板,故需提供較復雜的人機接口界面,再加上數(shù)字存儲示波器對數(shù)據(jù)采集的實時性要求,中央處理器的性能就決定了整個系統(tǒng)的性能,因此選用高速、高性能的嵌入式處理器。 3.2異常事件的捕獲測試 該智能觸發(fā)技術為用戶快速查找并定位夾雜在周期信號中的異常信號提供了一種有效手段。 測試中只要獲取了正常信號的特征,然后再將該信號的特征作為觸發(fā)模板,使系統(tǒng)采集不滿足觸發(fā)模板的信號來實現(xiàn)異常信號的捕獲,并且捕獲到的信號還可做進一步的分析和處理。測試方法主要分為2個步驟。 (1)輸入被測信號,設置觸發(fā)方式為普通的邊沿觸發(fā),然后開始采集,當采集穩(wěn)定后停止,此時捕獲到的信號應該是周期的正常信號,將此時采樣得到的信號作為觸發(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)模板信號導入,設置合適的觸發(fā)靈敏度,設置觸發(fā)條件為不等于,設置觸發(fā)方式為單次觸發(fā),隨后啟動采集,此時由于絕大部分信號是正常信號,是不滿足觸發(fā)條件的波形,示波器的采集應長時間處在等待觸發(fā)的狀態(tài)中,直到異常信號發(fā)生時,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了。 圖3給出了示波器捕獲到的異常信號屏幕截圖,輸入信號是由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的5 MHz正弦信號,信號中