測量從觸發(fā)開始

這一點對于示波器供應(yīng)商來說同樣重要。許多供應(yīng)商提供100多個預定義的觸發(fā)來幫助用戶將常見和不常見的信號條件快速分開。這一方面提高了靈活性，但是另一方面，選擇正確的觸發(fā)本身要比實際捕獲信號更加困難，因為觸發(fā)具有多種多樣的類型、速度、帶寬、延時和軟件等，而且每一個觸發(fā)都需要在靈活性與死區(qū)時間之間進行權(quán)衡。 理解每種類型的觸發(fā)以及相應(yīng)的權(quán)衡可以幫助用戶找出理想的觸發(fā)方法來提高成功觸發(fā)事件的幾率。

兩方面因素決定了示波器的觸發(fā)性能：

1. 觸發(fā)靈活性描述了定義觸發(fā)閾值或條件來適應(yīng)各種被測信號條件狀態(tài)以提高效率的簡單程度。 大多數(shù)示波器提供了供應(yīng)商定義的各種觸發(fā)功能，包括參數(shù)最低值設(shè)定，比如電平或?qū)挾鹊?，但是沒有提供一種方法來自定義這些參數(shù)。
2. 觸發(fā)死區(qū)時間是指示波器在相鄰兩次采集之間無法檢測到觸發(fā)的時間長度。這意味著如果感興趣事件發(fā)生在死區(qū)時間內(nèi)，那么它將錯過觸發(fā)條件。觸發(fā)死區(qū)時間是所有觸發(fā)架構(gòu)的固有特性，但是我們可以采用一些方法和技術(shù)來最小化這個時間。 許多示波器供應(yīng)商提供了基于軟件的觸發(fā)器來增強靈活性，但是由于需要后處理，這類觸發(fā)需要較長的死區(qū)時間，因此不適合小概率和不頻繁發(fā)生事件的檢測。

1. 傳統(tǒng)觸發(fā)

邊沿觸發(fā)（邏輯信號從高電平變成低電平或從低電平變成高電平時開始采集數(shù)據(jù)）是目前最常見的示波器觸發(fā)模式。大部分簡單的調(diào)試和測試功能都是通過邊沿觸發(fā)進行處理，但是有時候需要一些更復雜的觸發(fā)來隔離特定形狀的信號或連續(xù)隔離多個形狀的信號。示波器也包含了一些更高級的觸發(fā)選項，提供了更高靈活性來捕獲例如I2C或SPI等串行協(xié)議以及高級事件和信號特性，比如毛刺、矮脈沖、寬度、轉(zhuǎn)換速率、超時等。

圖1.這是一個基于數(shù)字信號處理的示波器框圖。 采集內(nèi)存和信號處理單元決定了示波器的采集更新速率和死區(qū)時間。

許多觸發(fā)條件在硬件中執(zhí)行，但是更為復雜的觸發(fā)選項和信號認證通常在類似于圖1中的軟件中執(zhí)行。軟件觸發(fā)提供了最佳的靈活性，但是也增加了必要的數(shù)據(jù)傳輸和處理時間，在這個時間段內(nèi)示波器無法檢測到新的觸發(fā)，如圖2所示。系統(tǒng)無法檢測觸發(fā)的時間段稱為死區(qū)時間，這個時間往往比實際采集數(shù)據(jù)記錄時間更長—換句話說，示波器觸發(fā)系統(tǒng)的死區(qū)時間可能占據(jù)超過95%。這使得檢測小概率或低頻率事件變得更為困難，而且導致測試時間更長。 更糟糕的是，用戶可能錯誤地假設(shè)預期事件沒有發(fā)生，因為預期事件發(fā)生的概率太低以至于其在測量過程中沒有被檢測到。

[+] 放大圖片

圖2.該圖顯示了傳統(tǒng)示波器的數(shù)據(jù)采集和分析過程，其中波形捕獲（上）和連續(xù)處理（下）之間存在死區(qū)時間。

如果示波器的可用觸發(fā)或信號分析能力無法滿足任務(wù)的需求，那么用戶的唯一選擇就是采集較長的波形片段，并將這些片段的原始數(shù)據(jù)下載到電腦上進行后期處理來找到特定事件。但是這增加了整個系統(tǒng)設(shè)計過程的復雜度，同時由于數(shù)據(jù)傳輸延時和數(shù)據(jù)處理所需的時間，整個測試的時間變長了。

至頁首

2. 生成觸發(fā)，無需權(quán)衡

雖然大部分基于軟件或智能觸發(fā)選項可以滿足電子電路的設(shè)計和測試需要，但是如果不將小概率事件迅速隔離或糾正,這些事件往往會使得產(chǎn)品開發(fā)時間拉長。由于示波器觸發(fā)功能的局限性，用戶只能使用供應(yīng)商所提供的功能。

如果用戶可以在示波器內(nèi)自行開發(fā)自己的算法，那么就可以針對特定任務(wù)自定義儀器的功能，從而不受限于供應(yīng)商提供的功能。比如，用戶可以針對特定應(yīng)用自行定義觸發(fā)條件來專門捕獲某個信號條件，這樣就無需在PC上進行后續(xù)處理，從而大大減少測試時間，如圖3所示。

為示波器提供在線數(shù)據(jù)處理以及重新編程算法的靈活性的關(guān)鍵技術(shù)是FPGA，F(xiàn)PGA從本質(zhì)上來說是可編程芯片，它可以通過真正的并行機制高速執(zhí)行自定義信號處理和控制算法。 FPGA的靈活性讓用戶可以修改或者增加特定的觸發(fā)算法，同時高吞吐量的數(shù)據(jù)處理可在采集過程中實時地分析數(shù)據(jù)樣本，而不是之后再進行處理。這可以避免死區(qū)時間、防止觸發(fā)遺漏并幫助用戶更快地檢測小概率事件。

用戶定義觸發(fā)的一個例子是檢測不符合標準觸發(fā)定義的信號波形或電平躍遷，如圖3中所示的信號。這種數(shù)字信號展示了一種非單調(diào)邊沿，其原因可能是信號反射或被測電路的電源故障。標準邊沿或?qū)挾扔|發(fā)無法檢測這種不期望的信號，而且使用常規(guī)手段進行檢測基本不可能。我們需要研究一種新的觸發(fā)精確并連續(xù)地捕獲這個事件。為了解決這一問題，我們需要開發(fā)一個軟件觸發(fā)器；然而這種方法存在較大的觸發(fā)死區(qū)時間，無法快速檢測小概率事件。或者，可以采用用戶可編程的FPGA來提供多個窗觸發(fā)，當所有窗觸發(fā)同時檢測到有效觸發(fā)條件時，就會將采集的樣本與掩模進行對比，從而產(chǎn)生一個組合觸發(fā)來采集信號。

由于FPGA可連續(xù)實時地評估信號，因此示波器既可以捕獲單個信號，也可以采集連續(xù)信號，而且在兩次采集之間不會存在死區(qū)時間。

圖3.使用用戶定義觸發(fā)捕獲特定信號躍遷；該功能在可重配置示波器的FPGA內(nèi)實現(xiàn)。

至頁首

3. 可重配置示波器

多年來，測試工程師們使用LabVIEW等軟件工具來代替?zhèn)鹘y(tǒng)臺式儀器內(nèi)的固定軟件，實現(xiàn)了系統(tǒng)測試以及測量結(jié)果分析和顯示的自動化，從而節(jié)省了測試成本。 這種方法提供了靈活性并且利用了最新的PC和CPU技術(shù)。 然而，用戶的需求往往不僅限于此，他們通常需要修改儀器的測量方式來更好地滿足應(yīng)用的需求。

傳統(tǒng)的現(xiàn)成儀器由供應(yīng)商定義并僅提供固定的功能；而NI率先采用FPGA技術(shù)提供更加開放、靈活的儀器。 于是，獲得了兼具這兩種特性的硬件： 固定、高質(zhì)量的測量技術(shù)；最新的數(shù)字總線集成；用戶可定制的高度并行邏輯，這種邏輯提供了低延時并直接與I/O關(guān)聯(lián)以便進行在線處理。

圖4.可重配置示波器NI PXIe-5171R的功能框圖。

借助FPGA內(nèi)供應(yīng)商提供的開放軟件，用戶可以擴展儀器的功能，比如自定義觸發(fā)或額外定時或控制信號。 用戶也可以在通過軟件設(shè)計的儀器的FPGA中實現(xiàn)他們自己的算法，重新定義硬件功能來完成完全不同的任務(wù)。 比如，示波器可以變成一個實時頻譜分析儀、瞬態(tài)記錄儀、協(xié)議分析儀、射頻接收器或者其它儀器。

設(shè)備成本是測試系統(tǒng)的一項主要成本，由于需要購買和維護的儀器數(shù)目更少，可重配置設(shè)備可以幫助用戶節(jié)約設(shè)備成本。這一點對于需要長期（超過10年）使用的測試和儀器功能來說尤其有用，比如軍用或者航天測試系統(tǒng)，它們常常需要再現(xiàn)已被淘汰（生命周期結(jié)束）的舊儀器的功能。

可重配置儀器非常適用于這一應(yīng)用，因為通過重新編程可以模擬舊儀器的功能。測試系統(tǒng)軟件只需少量的重新編程和重新認證就可與新儀器配合工作，因此能幫助用戶節(jié)省成本。

此類儀器的一個例子是NI PXIe-5171R reconfigurable oscilloscope，它使用Xilinx Kintex-7 FPGA實時處理來自8個輸入通道的采樣。 圖4展示了用戶可編程的FPGA如何集成到數(shù)據(jù)路徑中并提供對儀器的控制信號和定時信號的訪問。

至頁首

4. 結(jié)論

由于缺乏靈活性和實時分析能力，傳統(tǒng)的示波器觸發(fā)方法在捕獲小概率和復雜事件上面臨挑戰(zhàn)。 新方法利用了FPGA技術(shù)來自定義觸發(fā)功能，以滿足復雜的觸發(fā)條件以及實時信號處理和分析需求。

觀看演示視頻，了解如何通過自定義觸發(fā)來避免死區(qū)時間。