一種數(shù)字存儲示波器智能觸發(fā)技術(shù)研究

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(jié)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(shù)優(yōu)點

　　該智能觸發(fā)技術(shù)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(gòu)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)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Spartan3A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(shù)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,信號中每5 s疊加了1個周期性的窄脈沖信號,圖中陰影部分是設置的觸發(fā)模板示意圖。

　　采用上述測試方法的智能觸發(fā)技術(shù),一旦異常信號發(fā)生,就可以立即捕獲到此信號,提高了測試效率。

圖3　采用智能觸發(fā)捕獲到的異常信號。

　　4　結(jié)束語

　　文中提出的智能觸發(fā)技術(shù)為用戶快速查找和分析夾雜在周期信號中的異常信號提供了有效手段,是對數(shù)字示波器快速采集功能的一種有益補充,用戶可以先利用快速采集功能觀察被測信號中是否有異常信號,然后再用智能觸發(fā)功能來單獨捕捉和進一步分析。目前該技術(shù)已申請專利并成功應用于某型號的數(shù)字存儲示波器中。