一种数字存储示波器智能触发技术研究

　　在时域测试领域中,数字存储示波器的应用越来越广泛。其中,示波器对偶发、瞬态事件的捕获能力成为衡量其数据采集性能的一个重要指标。

　　为了解决这一问题,通常采取的措施有2种:一种是示波器的波形采集和显示采用并行处理架构,从而提高示波器单位时间内捕获并显示波形的幅数,即提高示波器的波形捕获率。

　　捕获率越高,示波器捕获到异常事件的概率越高。如美国泰克公司推出的数字荧光示波器,它是一种不仅能捕获和显示信号的时间- 幅度(事件)信息,而且能够以不同的辉度或颜色等级显示事件出现概率的数字存储示波器,其最高波形捕获率达300 000 wfms/ s;另一种方法是采用数字示波器的无限余辉功能,通过长时间的捕捉波形来发现异常或偶发事件。尽管通过这些方法都能够有可能发现这些偶发、瞬态信号,但总的来说效率都比较低,发现这些信号都需要较长的时间,且由于这两种方法都将多次触发采集的波形叠加在一起,对测试者来说很难正确的甄别和观察异常信号,给测试带来不便。

　　针对测试者捕捉和观察混杂在周期信号中的偶发、异常信号的需求,文中提出了一种数字存储示波器的智能触发方法,以便能更加自如的观察和分析故障信号产生的原因,从而提高用户的测试效率。

　　1　传统测试方法的效率分析

　　数字示波器捕获异常信号的量化方法可以通过示波器每s在屏幕上累计的异常事件的次数来表示。也可以转化为在屏幕上看到相邻两次异常事件的平均时间。

　　传统方法是采用具有较高波形捕获率的数字荧光示波器,触发方式采用边沿触发,观察叠加显示的波形,等待一段时间后期望能从三维累积的波形中观察到异常信号。

　　采取这种方法时,异常事件的捕获率与波形的频率、示波器的波形捕获率和异常事件发生的统计概率等相关。设示波器捕获某异常事件的概率为PA ,示波器的波形捕获率是PW ,异常事件出现的平均周期是TA ,被测周期信号的频率是f0 ,可以得到下面的关系式:

　　从式(1)中可以看出,如果波形的频率不超过示波器的波形捕获率,那么示波器能捕获每个触发事件,因此也就能捕获到每个异常事件;当波形的频率超过示波器的波形捕获率,示波器则不能捕获每个触发事件,每s捕获到异常事件的次数等于异常事件发生的周期乘以信号频率再除以示波器的波形捕获率。

　　例如,一个信号周期100 MHz的正弦信号,在该信号中平均每隔2 s出现1 次毛刺干扰, 采用波形捕获率为300 000wfms/ s的高性能数字存储示波器来观察,由式(1)可以计算出捕获到该毛刺信号的时间大约是667 s,可见捕获效率非常低。

　　由于数字存储示波器工作机制是采集、处理、显示3个步骤周而复始循环,在处理和显示这两个环节中示波器是停止采集信号的,这段时间称为示波器的“死区时间”。在死区时间内,示波器将漏失掉这段时间的大部分波形。不难发现波形捕获率和“死区时间”的关系是:波形捕获率越高,“死区时间”越小,那么采集波形的漏失率就越低,发现并捕获异常事件或瞬态信号的能力就越强。

　　对于这种传统的方法,当信号频率小于示波器的波形捕获率时能够保证在异常事件发生时捕获到信号,但一旦信号频率超过示波器的波形捕获率时,捕获的概率就下降了。因此大多数示波器设计了快速采集模式来弥补这一缺点。然而,为了实现这种采集模式却牺牲了数字示波器主要的分析和计算功能,尽管用高捕获率的示波器来观察信号,也只能起到观察叠加波形轨迹的作用,而且大部分正常和少部分异常信号全部叠加在一起显示,对测试者分析异常信号带来困难。

　　如果测试人员要测量和分析异常信号的特征,用现有的方法很难实现,且测试效率低下,为此文中设计了一种示波器的智能触发方法,类似任意波形发生器一样,用户可以通过任意的设置不同的触发模板,再将触发模板转换为硬件触发比较的条件,通过对被测信号进行实时监测,直至找到满足触发模板设置条件的那段信号后才产生1次触发,从而达到捕获异常信号的目的。

　　2　智能触发技术

　　2.1　总体方案

　　智能触发技术的总体方案如图1所示,主要由采集和样值存储模块、一般触发模块、可编程触发模块、触发选择与触发释抑模块、中央处理模块五大部分及与之相对应的处理软件组成。

图1　智能触发方案系统框图。

　　采集和样值存储模块主要由高速率8 bit模数转换器(ADC) 、高速率先进先出存储器( F IFO) 、采样控制模块并辅以相应的逻辑控制电路组成,负责完成模拟信号的采集和有效波形数据的存储功能。

　　一般触发模块的功能是完成传统数字存储示波器的大部分触发功能,即边沿触发、视频触发、脉宽触发、斜率触发等。

　　它的组成可以细分为触发电路、2个16 bit数模转换器(DAC) 、2个高速比较器、触发产生与合成模块四部分组成。触发电路实现对输入模拟触发信号的整形和电平变换; 2个模数转换器分别为高速比较器提供用户可以任意设置的触发比较电平,触发信号与比较器比较后的输出送入到触发产生和合成模块中;触发产生和合成模块根据用户所选择的触发方式进行计算和判别,最后送出满足要求的触发信号。

　　可编程触发模块是实现智能触发的核心。如图2,它包括n个8 bit的高速数字绝对值比较器、n个存储深度可由用户调节的触发模板存储区(SRAM) 、触发灵敏度控制器以及触发信号合成模块四部分组成。

　　触发选择与触发释抑模块由一个多路选择器和触发释抑控制器组成。多路选择器负责完成一般触发信号和可编程触发信号的选择;触发释抑是发生正确触发后的一段时间,在这段时间内,示波器不能触发。当触发源是复杂波形的时候,该特性能发挥作用,其结果是,只有在适当的触发点示波器才能触发。