如何利用示波器測試低占空比脈沖信號

當前的高性能示波器提供了高采樣率和高帶寬，因此現在的關(guān)鍵問(wèn)題是優(yōu)化示波器捕獲的信號質(zhì)量，其中包括：怎樣以足夠高的水平分辨率捕獲多個(gè)事件，以有效地進(jìn)行分析；怎樣只存儲和顯示必要的數據，優(yōu)化存儲器的使用。

對于這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，泰克的高性能示波器采用FastFrame分段存儲技術(shù)，改善了存儲使用效率和數據采集質(zhì)量，消除了采集時(shí)間窗口和水平分辨率不可兼得的矛盾。

本文將分別介紹傳統方法和FastFrame分段存儲技術(shù)測試偶發(fā)性或間歇性的事件以及一些低占空比的信號，從而分析FastFrame分段存儲技術(shù)在實(shí)際測試帶來(lái)好處。

傳統測試方法

傳統測試低占空比脈沖等間歇性的信號，通常利用數字示波器。為了提高測試精度，通常使用示波器的最高采樣率來(lái)采集波形數據。通常在高采樣率的支持下，可以看到大部分波形細節，見(jiàn)圖1。

但是，如果想查看多個(gè)連續脈沖，那么必須提高采集的時(shí)間窗口。要讓多個(gè)脈沖落在示波器提供的有限存儲器內，很多時(shí)候必須通過(guò)降低采樣率來(lái)達到。顯而易見(jiàn)地，降低采樣率本身會(huì )降低水平分辨率，使得時(shí)間測試精度大大下降。當然，用戶(hù)也可以擴展示波器的存儲器的長(cháng)度，在不降低采樣率的情況下提高采集時(shí)間窗口。但是，這種方法有其局限性。盡管存儲技術(shù)不斷進(jìn)步，高速采集存儲器仍是一種昂貴的資源，而且很難判斷多少存儲容量才足夠。即使擁有被認為很長(cháng)的存儲器長(cháng)度，但可能仍不能捕獲最后的、可能是最關(guān)鍵的事件。

圖2是在長(cháng)記錄長(cháng)度時(shí)以高分辨率捕獲的多個(gè)脈沖。從圖2中可以看出，時(shí)間窗口擴展了10倍，可以捕獲更多的間歇性脈沖。其實(shí)現方式：通常是提高采集數據的時(shí)間長(cháng)度，并提高記錄長(cháng)度，同時(shí)保持采樣率不變。這種采集方法帶來(lái)了以下這些缺點(diǎn)：

1. 更大的采集數據提高了存儲器和硬盤(pán)的存儲要求。
2. 更大的采集數據影響著(zhù)I/O傳送速率。
3. 更高的記錄長(cháng)度提高了用戶(hù)承擔的成本。
4. .由于示波器要處理更多的信息，因此前后兩次采集之間的不活動(dòng)時(shí)間或“死區時(shí)間”提高了，導致更新速率下降。

考慮到這些矛盾，必須不斷地在高采樣率與每條通道提供的存儲長(cháng)度中間做出平衡，并且還是很難達到測試更多個(gè)脈沖的需求。

利用FastFrame測試方法

FastFrame分段存儲的原理

為解決上述的問(wèn)題，業(yè)內運用了許多技術(shù)。一種流行的方法是分段存儲方案。采用這種存儲技術(shù)的儀器，如泰克采用FastFrame分段存儲技術(shù)的示波器，允許把現有的存儲器分成一系列段，然后每一次觸發(fā)后采集的數據只填充其中一段，每次采集都可使用所需的采樣率。通過(guò)根據測試要求定義觸發(fā)條件，可以只捕獲感興趣的波形段，然后將捕獲的每個(gè)事件存儲在擁有各自編號的存儲段中。采集完成以后，用戶(hù)可以按捕獲順序單獨查看各個(gè)存儲段的波形或幀數據，或分層顯示多個(gè)存儲段波形或幀數據，以方便對測試結果進(jìn)行比對；同時(shí)FastFrame技術(shù)還可以忽略不想要的波形段，從而把重點(diǎn)放在感興趣的信號上。

圖3是示波器利用FastFrame分段存儲技術(shù)采集圖2中同樣的信號，通過(guò)利用FastFrame技術(shù)，可以與圖1一樣以同樣小的記錄長(cháng)度和同樣高的采樣率捕獲最多脈沖波形數目，分段存儲內容重疊在一起，這樣所有脈沖在屏幕上相互堆疊起來(lái)，并可以觀(guān)測所有波形的變化情況。

FastFrame分段存儲的優(yōu)勢和特點(diǎn)

• 示波器利用FastFrame分段存儲技術(shù)的優(yōu)勢如下：
• 高波形捕獲速率提高了捕獲偶發(fā)事件的能力。
• 使用高采樣率，保留了波形細節。
• 如果脈沖重復速度小于示波器的最高觸發(fā)速率，則捕獲的脈沖之間沒(méi)有漏失脈沖，保證有效利用記錄長(cháng)度存儲器。
• 可以迅速地以可視方式比較波形段，確定重疊的波形中是否會(huì )異常變化。
• FastFrame技術(shù)可以獲取采集幀的時(shí)間相關(guān)信息

當打開(kāi)示波器的FastFrame，FastFrame分段存儲技術(shù)依照所選定的幀數和每幀點(diǎn)數(幀長(cháng)度) 自動(dòng)計算和選擇所需的記錄長(cháng)度。根據提供的示波器存儲器，它計算幀數和幀長(cháng)度之積，選擇最近的記錄長(cháng)度，確定適合存儲器的可支持幀數。

當需要查看感興趣的波形時(shí)，可以單獨查看每個(gè)幀，在確定特定的感興趣的幀后，可以使用儀器功能詳細檢定、測量、放大和分析波形。為迅速查看捕獲的波形共性以外的異常事件，可以把多個(gè)幀重疊起來(lái)，顯示公共波形和偏離波形。FastFrame分段存儲技術(shù)中的“View Multiple Frames”選項使用顏色突出顯示各個(gè)點(diǎn)相互重疊的頻次。如在色溫顯示下，暖色的點(diǎn)表示發(fā)生頻次高，冷色的點(diǎn)表示發(fā)生頻次低。

除了每幀波形表示的部分情況以外。每幀的采集時(shí)間中也是十分重要的信息。每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)都有定時(shí)信息，通過(guò)分析每幀采集時(shí)間相關(guān)的信息，可以確定每個(gè)事件發(fā)生的絕對時(shí)間以及事件之間的相對時(shí)間，如圖4所示，從圖4可以看出，FastFrame技術(shù)不但可以得到每一幀的相對時(shí)間，而且可以得到每一幀的絕對時(shí)間。

應用實(shí)例分析

低占空比脈沖信號測試和分析

對于脈沖波形的測試，特別是一些低占空比的脈沖波形，如激光器應用中的脈沖波形，雷達脈沖等。在這些環(huán)境中，波形是由大部分時(shí)間都相同的脈沖組成的序列，但可能會(huì )偶爾突然出現不規則的脈沖，甚至這些脈沖的幅度會(huì )按某種趨勢發(fā)生變化；此外，這些脈沖的時(shí)間間隔很長(cháng)，示波器用傳統的方法連續采集時(shí)即使占用大量存儲空間還是無(wú)法采集到所需要的脈沖個(gè)數。對這些情況，利用示波器的FastFrame分段存儲技術(shù)采集此類(lèi)信號，捕獲相應足夠數量的脈沖完成分析，利用有限的存儲器，仍能以很高的水平分辨率捕獲每個(gè)脈沖，并可以從疊顯示。

下面以低占空比脈沖為例，脈沖的寬度為12ns, 脈沖間隔為20.1?s，每個(gè)脈沖的幅度不一樣，該脈沖見(jiàn)圖5和圖6。測試需求：捕獲1000個(gè)該脈沖序列，觀(guān)測該脈沖序列的幅度變化曲線(xiàn)，并且獲取脈沖序列的時(shí)間間隔以及每個(gè)脈沖的絕對時(shí)間。圖6是利用傳統的方法捕獲的波形，從圖6可以看出，捕獲10個(gè)脈沖已經(jīng)需要10M存儲器，捕獲1000個(gè)脈沖需要1G的存儲器，十分昂貴；如果考慮到很多應用需要捕獲更多的脈沖序列，則傳統的方法難以滿(mǎn)足這樣時(shí)間窗口很長(cháng)的脈沖波形的測試和分析；另外，傳統的方法無(wú)法精確得到脈沖的時(shí)間間隔以及每個(gè)脈沖到來(lái)的絕對時(shí)間。

圖7是利用示波器的FastFrame技術(shù)對該波形進(jìn)行測試和分析，從圖7可以看出，FastFrame技術(shù)可以根據測試需求設置所捕獲的幀數(即波形個(gè)數)，可以把所有脈沖序列波形重疊顯示，還可以把所有幀的重疊畫(huà)面會(huì )通過(guò)顏色編碼顯示每個(gè)位置發(fā)生頻次，從而實(shí)現可以比較波形的變化和異常的能力。此例中，脈沖序列的幅度包含了5種不同的幅度的脈沖波形。通過(guò)FastFrame技術(shù)可以得到脈沖間的時(shí)間間隔，從圖8中可以看出，第88個(gè)脈沖到第89個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為20.100763?s，并可以保存每個(gè)脈沖來(lái)到的絕對時(shí)刻，見(jiàn)圖9；加上Matlab軟件連接，可以得到1000個(gè)脈沖波形按時(shí)間順序顯示出來(lái)，即得到脈沖幅度最時(shí)間的變化曲線(xiàn)，并得到脈沖觸發(fā)時(shí)刻的絕對時(shí)間，如圖10所示。

查找信號中的異常事件

由于數字信號的速度不斷提高，設計和調試復雜系統正面臨著(zhù)更大的挑戰。干擾數字電路的細小異常事件變得更加常見(jiàn)，查找和隔離起來(lái)比以前更加困難。圖11是利用泰克的DPO示波器發(fā)現了時(shí)鐘信號中有異常的欠幅信號，但不知該異常表現出現的間隔和具體時(shí)間。

通過(guò)利用示波器的FastFrame分段存儲技術(shù)，設置Runt(欠幅脈沖)觸發(fā)，同時(shí)保持高采樣率，捕獲了100個(gè)信號異常信號，然后可以滾動(dòng)查看各個(gè)異常信號幀，可以迅速地一目了然地查看波形內部頻繁出現的異常事件，見(jiàn)圖12。測試人員可以查看每一個(gè)異常信號，得到每個(gè)異常信號出現的時(shí)刻和異常信號之間的時(shí)間間隔。從圖12中得到了第19個(gè)異?，F象到第20個(gè)異常的時(shí)間間隔為3.876秒(還可以得到其它編號的任意異常信號之間的時(shí)間)，從而幫助了進(jìn)一步定位和分析故障信號出現的原因。

總結

利用具有FastFrame分段存儲技術(shù)的示波器來(lái)測試低占空比信號(如激光脈沖﹑雷達脈沖等)或偶發(fā)性信號，不但可以保證示波器能夠高采樣率捕獲所觀(guān)測的信號，使得測試精度大大提高，還可以得到每個(gè)脈沖信號的到來(lái)的絕對時(shí)間、直接讀出不同脈沖之間的相對時(shí)間，從而解決以前對這種信號難以測試的難題。