高速信號(hào)在提升電子設(shè)備性能的的同時(shí)，也為檢定和調(diào)試的設(shè)計(jì)工程師帶來了很多問題。在這些問題中，一類典型的例子是偶發(fā)性或間歇性的事件以及一些低占空比的信號(hào)，如激光脈沖或亞穩(wěn)定性，低占空比雷達(dá)脈沖等等。這些事件很難識(shí)別和檢定，要求測(cè)試設(shè)備同時(shí)提供高采樣率和超強(qiáng)的數(shù)據(jù)捕獲能力。這對(duì)示波器性能提出了極高的要求。在過去，要對(duì)這些信號(hào)的測(cè)試不得不在分辨率和捕獲長(zhǎng)度之間進(jìn)行取舍：所有示波器的存儲(chǔ)長(zhǎng)度都是有限的；在示波器中，采樣率×采集時(shí)間＝采集內(nèi)存，以使用示波器的所有采集內(nèi)存為例，采樣率越高，則數(shù)據(jù)采集的時(shí)間窗口越小；另一方面，若需要加長(zhǎng)采集時(shí)間窗口，則需要以降低水平分辨率( 降低采樣率) 為代價(jià)。
當(dāng)前的高性能示波器提供了高采樣率和高帶寬，因此現(xiàn)在的關(guān)鍵問題是優(yōu)化示波器捕獲的信號(hào)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(chǔ)和顯示必要的數(shù)據(jù)，優(yōu)化存儲(chǔ)器的使用。
對(duì)于這兩個(gè)關(guān)鍵問題，泰克的高性能示波器采用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，改善了存儲(chǔ)使用效率和數(shù)據(jù)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(tǒng)方法和FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)測(cè)試偶發(fā)性或間歇性的事件以及一些低占空比的信號(hào)，從而分析FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)在實(shí)際測(cè)試帶來好處。
傳統(tǒng)測(cè)試方法
傳統(tǒng)測(cè)試低占空比脈沖等間歇性的信號(hào)，通常利用數(shù)字示波器。為了提高測(cè)試精度，通常使用示波器的最高采樣率來采集波形數(shù)據(jù)。通常在高采樣率的支持下，可以看到大部分波形細(xì)節(jié)。
但是，如果想查看多個(gè)連續(xù)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(chǔ)器內(nèi)，很多時(shí)候必須通過降低采樣率來達(dá)到。顯而易見地，降低采樣率本身會(huì)降低水平分辨率，使得時(shí)間測(cè)試精度大大下降。當(dāng)然，用戶也可以擴(kuò)展示波器的存儲(chǔ)器的長(zhǎng)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(chǔ)技術(shù)不斷進(jìn)步，高速采集存儲(chǔ)器仍是一種昂貴的資源，而且很難判斷多少存儲(chǔ)容量才足夠。即使擁有被認(rèn)為很長(zhǎng)的存儲(chǔ)器長(zhǎng)度，但可能仍不能捕獲最后的、可能是最關(guān)鍵的事件。
在長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度時(shí)以高分辨率捕獲的多個(gè)脈沖�？梢钥闯觯瑫r(shí)間窗口擴(kuò)展了10倍，可以捕獲更多的間歇性脈沖。其實(shí)現(xiàn)方式：通常是提高采集數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度，并提高記錄長(zhǎng)度，同時(shí)保持采樣率不變。這種采集方法帶來了以下這些缺點(diǎn)：
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更大的采集數(shù)據(jù)提高了存儲(chǔ)器和硬盤的存儲(chǔ)要求。
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更大的采集數(shù)據(jù)影響著I/O傳送速率。
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更高的記錄長(zhǎng)度提高了用戶承擔(dān)的成本。
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.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(qū)時(shí)間”提高了，導(dǎo)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(chǔ)長(zhǎng)度中間做出平衡，并且還是很難達(dá)到測(cè)試更多個(gè)脈沖的需求。
利用FastFrame測(cè)試方法
FastFrame分段存儲(chǔ)的原理
為解決上述的問題，業(yè)內(nèi)運(yùn)用了許多技術(shù)。一種流行的方法是分段存儲(chǔ)方案。采用這種存儲(chǔ)技術(shù)的儀器，如泰克采用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)的示波器，允許把現(xiàn)有的存儲(chǔ)器分成一系列段，然后每一次觸發(fā)后采集的數(shù)據(jù)只填充其中一段，每次采集都可使用所需的采樣率。通過根據(jù)測(cè)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(chǔ)在擁有各自編號(hào)的存儲(chǔ)段中。采集完成以后，用戶可以按捕獲順序單獨(dú)查看各個(gè)存儲(chǔ)段的波形或幀數(shù)據(jù)，或分層顯示多個(gè)存儲(chǔ)段波形或幀數(shù)據(jù)，以方便對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)；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(hào)上。
示波器利用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)采集中同樣的信號(hào)，通過利用FastFrame技術(shù)，可以一樣以同樣小的記錄長(zhǎng)度和同樣高的采樣率捕獲最多脈沖波形數(shù)目，分段存儲(chǔ)內(nèi)容重疊在一起，這樣所有脈沖在屏幕上相互堆疊起來，并可以觀測(cè)所有波形的變化情況。
FastFrame分段存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)
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示波器利用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：
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高波形捕獲速率提高了捕獲偶發(fā)事件的能力。
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使用高采樣率，保留了波形細(xì)節(jié)。
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如果脈沖重復(fù)速度小于示波器的最高觸發(fā)速率，則捕獲的脈沖之間沒有漏失脈沖，保證有效利用記錄長(zhǎng)度存儲(chǔ)器。
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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。
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FastFrame技術(shù)可以獲取采集幀的時(shí)間相關(guān)信息
當(dāng)打開示波器的FastFrame，F(xiàn)astFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)依照所選定的幀數(shù)和每幀點(diǎn)數(shù)(幀長(zhǎng)度) 自動(dòng)計(jì)算和選擇所需的記錄長(zhǎng)度。根據(jù)提供的示波器存儲(chǔ)器，它計(jì)算幀數(shù)和幀長(zhǎng)度之積，選擇最近的記錄長(zhǎng)度，確定適合存儲(chǔ)器的可支持幀數(shù)。
當(dāng)需要查看感興趣的波形時(shí)，可以單獨(dú)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(xì)檢定、測(cè)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，顯示公共波形和偏離波形。FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)中的“View Multiple Frames”選項(xiàng)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(duì)時(shí)間以及事件之間的相對(duì)時(shí)間，可以看出，F(xiàn)astFrame技術(shù)不但可以得到每一幀的相對(duì)時(shí)間，而且可以得到每一幀的絕對(duì)時(shí)間。
應(yīng)用實(shí)例分析
低占空比脈沖信號(hào)測(cè)試和分析
對(duì)于脈沖波形的測(cè)試，特別是一些低占空比的脈沖波形，如激光器應(yīng)用中的脈沖波形，雷達(dá)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(xiàn)不規(guī)則的脈沖，甚至這些脈沖的幅度會(huì)按某種趨勢(shì)發(fā)生變化；此外，這些脈沖的時(shí)間間隔很長(zhǎng)，示波器用傳統(tǒng)的方法連續(xù)采集時(shí)即使占用大量存儲(chǔ)空間還是無法采集到所需要的脈沖個(gè)數(shù)。對(duì)這些情況，利用示波器的FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)采集此類信號(hào)，捕獲相應(yīng)足夠數(shù)量的脈沖完成分析，利用有限的存儲(chǔ)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20.1s，每個(gè)脈沖的幅度不一樣。測(cè)試需求：捕獲1000個(gè)該脈沖序列，觀測(cè)該脈沖序列的幅度變化曲線，并且獲取脈沖序列的時(shí)間間隔以及每個(gè)脈沖的絕對(duì)時(shí)間。是利用傳統(tǒng)的方法捕獲的波形，可以看出，捕獲10個(gè)脈沖已經(jīng)需要10M存儲(chǔ)器，捕獲1000個(gè)脈沖需要1G的存儲(chǔ)器，十分昂貴；如果考慮到很多應(yīng)用需要捕獲更多的脈沖序列，則傳統(tǒng)的方法難以滿足這樣時(shí)間窗口很長(zhǎng)的脈沖波形的測(cè)試和分析；另外，傳統(tǒng)的方法無法精確得到脈沖的時(shí)間間隔以及每個(gè)脈沖到來的絕對(duì)時(shí)間。
圖7是利用示波器的FastFrame技術(shù)對(duì)該波形進(jìn)行測(cè)試和分析，可以看出，F(xiàn)astFrame技術(shù)可以根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置所捕獲的幀數(shù)(即波形個(gè)數(shù))，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面會(huì)通過顏色編碼顯示每個(gè)位置發(fā)生頻次，從而實(shí)現(xiàn)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FastFrame技術(shù)可以得到脈沖間的時(shí)間間隔，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20.100763s，并可以保存每個(gè)脈沖來到的絕對(duì)時(shí)刻；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，即得到脈沖幅度最時(shí)間的變化曲線，并得到脈沖觸發(fā)時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間。
查找信號(hào)中的異常事件
由于數(shù)字信號(hào)的速度不斷提高，設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜系統(tǒng)正面臨著更大的挑戰(zhàn)。干擾數(shù)字電路的細(xì)小異常事件變得更加常見，查找和隔離起來比以前更加困難。圖11是利用泰克的DPO示波器發(fā)現(xiàn)了時(shí)鐘信號(hào)中有異常的欠幅信號(hào)，但不知該異常表現(xiàn)出現(xiàn)的間隔和具體時(shí)間。
通過利用示波器的FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，設(shè)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(hào)異常信號(hào)，然后可以滾動(dòng)查看各個(gè)異常信號(hào)幀，可以迅速地一目了然地查看波形內(nèi)部頻繁出現(xiàn)的異常事件，見圖12。測(cè)試人員可以查看每一個(gè)異常信號(hào)，得到每個(gè)異常信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻和異常信號(hào)之間的時(shí)間間隔。從圖12中得到了第19個(gè)異�，F(xiàn)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(hào)的任意異常信號(hào)之間的時(shí)間)，從而幫助了進(jìn)一步定位和分析故障信號(hào)出現(xiàn)的原因。
