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(xiàn)在的關鍵問題是優(yōu)化示波器捕獲的信號質量，其中包括：怎樣以足夠高的水平分辨率捕獲多個事件，以有效地進行分析；怎樣只存儲和顯示必要的數(shù)據(jù)，優(yōu)化存儲器的使用。

對于這兩個關鍵問題，泰克的高性能示波器采用FastFrame分段存儲技術，改善了存儲使用效率和數(shù)據(jù)采集質量，消除了采集時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分段存儲技術測試偶發(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分段存儲技術在實際測試帶來好處。

傳統(tǒng)測試方法

傳統(tǒng)測試低占空比脈沖等間歇性的信號，通常利用數(shù)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節(jié)，見圖1。

但是，如果想查看多個連續(xù)脈沖，那么必須提高采集的時間窗口。要讓多個脈沖落在示波器提供的有限存儲器內，很多時候必須通過降低采樣率來達到。顯而易見地，降低采樣率本身會降低水平分辨率，使得時間測試精度大大下降。當然，用戶也可以擴展示波器的存儲器的長度，在不降低采樣率的情況下提高采集時間窗口。但是，這種方法有其局限性。盡管存儲技術不斷進步，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的存儲器長度，但可能仍不能捕獲最后的、可能是最關鍵的事件。

圖2是在長記錄長度時以高分辨率捕獲的多個脈沖。從圖2中可以看出，時間窗口擴展了10倍，可以捕獲更多的間歇性脈沖。其實現(xiàn)方式：通常是提高采集數(shù)據(jù)的時間長度，并提高記錄長度，同時保持采樣率不變。這種采集方法帶來了以下這些缺點：

1. 更大的采集數(shù)據(jù)提高了存儲器和硬盤的存儲要求。
2. 更大的采集數(shù)據(jù)影響著I/O傳送速率。
3. 更高的記錄長度提高了用戶承擔的成本。
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時間或“死區(qū)時間”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度中間做出平衡，并且還是很難達到測試更多個脈沖的需求。

利用FastFrame測試方法

FastFrame分段存儲的原理

為解決上述的問題，業(yè)內運用了許多技術。一種流行的方法是分段存儲方案。采用這種存儲技術的儀器，如泰克采用FastFrame分段存儲技術的示波器，允許把現(xiàn)有的存儲器分成一系列段，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，然后將捕獲的每個事件存儲在擁有各自編號的存儲段中。采集完成以后，用戶可以按捕獲順序單獨查看各個存儲段的波形或幀數(shù)據(jù)，或分層顯示多個存儲段波形或幀數(shù)據(jù)，以方便對測試結果進行比對；同時FastFrame技術還可以忽略不想要的波形段，從而把重點放在感興趣的信號上。

圖3是示波器利用FastFrame分段存儲技術采集圖2中同樣的信號，通過利用FastFrame技術，可以與圖1一樣以同樣小的記錄長度和同樣高的采樣率捕獲最多脈沖波形數(shù)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，并可以觀測所有波形的變化情況。

FastFrame分段存儲的優(yōu)勢和特點

• 示波器利用FastFrame分段存儲技術的優(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(jié)。
• 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有漏失脈沖，保證有效利用記錄長度存儲器。
• 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異常變化。
• FastFrame技術可以獲取采集幀的時間相關信息

當打開示波器的FastFrame，F(xiàn)astFrame分段存儲技術依照所選定的幀數(shù)和每幀點數(shù)(幀長度) 自動計算和選擇所需的記錄長度。根據(jù)提供的示波器存儲器，它計算幀數(shù)和幀長度之積，選擇最近的記錄長度，確定適合存儲器的可支持幀數(shù)。

當需要查看感興趣的波形時，可以單獨查看每個幀，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，可以把多個幀重疊起來，顯示公共波形和偏離波形。FastFrame分段存儲技術中的“View Multiple Frames”選項使用顏色突出顯示各個點相互重疊的頻次。如在色溫顯示下，暖色的點表示發(fā)生頻次高，冷色的點表示發(fā)生頻次低。

除了每幀波形表示的部分情況以外。每幀的采集時間中也是十分重要的信息。每個觸發(fā)點都有定時信息，通過分析每幀采集時間相關的信息，可以確定每個事件發(fā)生的絕對時間以及事件之間的相對時間，如圖4所示，從圖4可以看出，F(xiàn)astFrame技術不但可以得到每一幀的相對時間，而且可以得到每一幀的絕對時間。

應用實例分析

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，波形是由大部分時間都相同的脈沖組成的序列，但可能會偶爾突然出現(xiàn)不規(guī)則的脈沖，甚至這些脈沖的幅度會按某種趨勢發(fā)生變化；此外，這些脈沖的時間間隔很長，示波器用傳統(tǒng)的方法連續(xù)采集時即使占用大量存儲空間還是無法采集到所需要的脈沖個數(shù)。對這些情況，利用示波器的FastFrame分段存儲技術采集此類信號，捕獲相應足夠數(shù)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，每個脈沖的幅度不一樣，該脈沖見圖5和圖6。測試需求：捕獲1000個該脈沖序列，觀測該脈沖序列的幅度變化曲線，并且獲取脈沖序列的時間間隔以及每個脈沖的絕對時間。圖6是利用傳統(tǒng)的方法捕獲的波形，從圖6可以看出，捕獲10個脈沖已經需要10M存儲器，捕獲1000個脈沖需要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(tǒng)的方法難以滿足這樣時間窗口很長的脈沖波形的測試和分析；另外，傳統(tǒng)的方法無法精確得到脈沖的時間間隔以及每個脈沖到來的絕對時間。

圖7是利用示波器的FastFrame技術對該波形進行測試和分析，從圖7可以看出，F(xiàn)astFrame技術可以根據(jù)測試需求設置所捕獲的幀數(shù)(即波形個數(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通過顏色編碼顯示每個位置發(fā)生頻次，從而實現(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技術可以得到脈沖間的時間間隔，從圖8中可以看出，第88個脈沖到第89個脈沖之間的時間間隔為20.100763?s，并可以保存每個脈沖來到的絕對時刻，見圖9；加上Matlab軟件連接，可以得到1000個脈沖波形按時間順序顯示出來，即得到脈沖幅度最時間的變化曲線，并得到脈沖觸發(fā)時刻的絕對時間，如圖10所示。

查找信號中的異常事件

由于數(shù)字信號的速度不斷提高，設計和調試復雜系統(tǒng)正面臨著更大的挑戰(zhàn)。干擾數(shù)字電路的細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)了時鐘信號中有異常的欠幅信號，但不知該異常表現(xiàn)出現(xiàn)的間隔和具體時間。

通過利用示波器的FastFrame分段存儲技術，設置Runt(欠幅脈沖)觸發(fā)，同時保持高采樣率，捕獲了100個信號異常信號，然后可以滾動查看各個異常信號幀，可以迅速地一目了然地查看波形內部頻繁出現(xiàn)的異常事件，見圖12。測試人員可以查看每一個異常信號，得到每個異常信號出現(xiàn)的時刻和異常信號之間的時間間隔。從圖12中得到了第19個異常現(xiàn)象到第20個異常的時間間隔為3.876秒(還可以得到其它編號的任意異常信號之間的時間)，從而幫助了進一步定位和分析故障信號出現(xiàn)的原因。

總結

利用具有FastFrame分段存儲技術的示波器來測試低占空比信號(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測的信號，使得測試精度大大提高，還可以得到每個脈沖信號的到來的絕對時間、直接讀出不同脈沖之間的相對時間，從而解決以前對這種信號難以測試的難題。