高速數(shù)字技術(shù)在開啟新的技術(shù)可能及實(shí)現(xiàn)廣泛創(chuàng)新的同時(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，首當(dāng)其沖的是偶發(fā)性或間歇性的事件，如激光脈沖或亞穩(wěn)定性。這些事件很難識(shí)別和檢定，要求測試測量設(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，我們不得不在分辨率和捕獲長度之間進(jìn)行取舍。所有示波器的存儲(chǔ)長度都是有限的；采樣率越高，儀器存儲(chǔ)器填充速度越快，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間窗口越小。相反，在長時(shí)間周期內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)一般需要以降低水平分辨率(采樣率)為代價(jià)。

　　由于當(dāng)前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)化示波器捕獲的信息質(zhì)量，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。幸運(yùn)的是，泰克采用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)的高級(jí)示波器同時(shí)改善了存儲(chǔ)使用效率和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，消除了這種矛盾。

　　利用記錄長度優(yōu)勢

　　考慮一下圖1中所示的單個(gè)脈沖。它是在泰克DPO7254數(shù)字熒光示波器上以20GS/s的采樣率在1000點(diǎn)波形中采集的。在這一采樣率下，可以看到大部分波形細(xì)節(jié)。

　　但是，如果您想查看多個(gè)連續(xù)脈沖，那么必須拉長采集的時(shí)間窗口。為適應(yīng)儀器提供的存儲(chǔ)容量，必須降低采樣率或拉長時(shí)間窗口的記錄長度。當(dāng)然，降低采樣率本身會(huì)降低水平分辨率。

　　您也可以擴(kuò)大記錄長度，在不降低采樣率的情況下拉長采集時(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，但高速采集存儲(chǔ)器仍是一種寶貴的資源，而且很難辨別多少存儲(chǔ)容量才足夠。即使有人認(rèn)為記錄長度很長，但您可能仍不能捕獲最后的、可能是最關(guān)鍵的事件。

　　從圖2中可以看出，時(shí)間窗口擴(kuò)展了10倍，可以捕獲更多的連續(xù)脈沖。其實(shí)現(xiàn)方式是提高屏幕上顯示的格線的每個(gè)格，提高記錄長度，同時(shí)保持采樣率不變。這種更大的采集帶來了某些缺點(diǎn)：大量的采集提高了NVRAM和硬盤的存儲(chǔ)要求；大量的采集影響著I/O傳送速率(即GPIB吞吐量)；更多的記錄長度提高了用戶承擔(dān)的成本。

　　由于示波器要處理更多的信息，因此采集之間的不活動(dòng)時(shí)間周期或“死區(qū)時(shí)間”增長了，導(dǎo)致更新速率下降?？紤]到這些矛盾，必須不斷地平衡對(duì)高采樣率的需求與每條通道提供的存儲(chǔ)長度的不足之間的矛盾。

　　圖1：以高分辨率捕獲的單個(gè)脈沖。

　　圖2：在長記錄長度時(shí)以高分辨率捕獲的多個(gè)脈沖。

　　分段存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　為解決這個(gè)問題，業(yè)內(nèi)制訂了許多策略。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，如采用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)的泰克示波器，允許把提供的存儲(chǔ)器分成一系列存儲(chǔ)段，然后以所需的采樣率使用觸發(fā)采集填充每個(gè)存儲(chǔ)段。

　　通過認(rèn)真定義觸發(fā)條件，這種技術(shù)可以只捕獲感興趣的波形或波形段，然后捕獲的每個(gè)事件存儲(chǔ)在自己編號(hào)的存儲(chǔ)段中?？梢园床东@順序單獨(dú)查看各個(gè)存儲(chǔ)段或幀，或?qū)Χ鄠€(gè)存儲(chǔ)段或幀分層，顯示其類似程度和對(duì)比結(jié)果。

　　這種功能基本上允許掃描通過不想要的波形段，從而可以把重點(diǎn)放在感興趣的信號(hào)上。圖3說明了這種方法。通過使用DPO7254示波器中的FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，它以圖1所示的同樣小的記錄長度以20GS/s的采樣率捕獲脈沖。分段存儲(chǔ)內(nèi)容被重疊在一起，以便所有脈沖在屏幕上相互堆疊起來。

　　圖3：通過使用泰克FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，可以以高分辨率捕獲多個(gè)脈沖。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括：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(xì)節(jié)；捕獲的脈沖之間沒有死區(qū)時(shí)間，保證有效利用記錄長度存儲(chǔ)器；可以迅速地以可視方式比較波形段，確定重疊的堆棧中是否會(huì)有“伸出”異常事件。

　　幀和幀長度與記錄長度比較

　　泰克采用FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)的示波器允許把提供的采集存儲(chǔ)器分成由幾十萬個(gè)樣點(diǎn)組成的幀(存儲(chǔ)段)。這種功能便于實(shí)現(xiàn)每秒400,000幀的突發(fā)觸發(fā)速率(采集數(shù)量/秒)，相當(dāng)于最大死區(qū)時(shí)間為2.5微秒，這一觸發(fā)速率明顯快于大多數(shù)其它示波器。

　　在激活時(shí)，F(xiàn)astFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)自動(dòng)計(jì)算和選擇適應(yīng)您選定的幀數(shù)和每幀點(diǎn)數(shù)(幀長度)所需的記錄長度。根據(jù)提供的儀器存儲(chǔ)器，它計(jì)算幀數(shù)和幀長度之積，選擇最近的記錄長度，確定提供適合存儲(chǔ)器的幀數(shù)。

　　您可以單獨(dú)查看每個(gè)幀，也可以使用鼠標(biāo)、虛擬鍵盤或儀器主控制臺(tái)上的多功能旋鈕選擇多個(gè)幀號(hào)，滾動(dòng)查看這些幀。在確定特定的感興趣的幀時(shí)，您可以使用儀器功能，詳細(xì)檢定、測量、放大和分析波形。

　　為迅速查看波形公共形狀中突出的異常事件，可以把多個(gè)幀重疊起來，顯示公共點(diǎn)和偏離點(diǎn)。FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)中的“View Multiple Frames”選項(xiàng)使用顏色把選定數(shù)量的幀重疊起來，突出顯示各個(gè)點(diǎn)相互重疊的頻次。紅色的點(diǎn)表示發(fā)生頻次高，藍(lán)色的點(diǎn)表示發(fā)生頻次低。

　　平均/包絡(luò)幀

　　FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)支持標(biāo)準(zhǔn)“Sample”采集模式及高級(jí)模式，包括“Peak Detect”、“Hi-Res”和“WfmDB”。“FastFrame. Setup”菜單中的選項(xiàng)在記錄末尾為“Envelope”或“Average”模式提供了一個(gè)額外的幀。

　　這種“Summary”幀使用包絡(luò)點(diǎn)(最大值和最小值)或選定數(shù)量幀的平均點(diǎn)繪制波形圖表。

　　例如，在FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)使用“Average”模式，幀數(shù)為10時(shí)，示波器計(jì)算10個(gè)幀的平均值，在最后的幀或“Summary”幀中顯示平均的波形。如果FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)使用“Envelope”模式，示波器會(huì)計(jì)算10個(gè)幀中所有波形的最大值和最小值，作為最后幀中的包絡(luò)波形顯示這些值。

　　采集的時(shí)戳

　　每個(gè)幀中的波形只能說明部分情況。每個(gè)幀的定時(shí)中也嵌入了重要信息。每個(gè)觸發(fā)點(diǎn)都有定時(shí)信息，稱為時(shí)戳(time stamp)。通過分析時(shí)戳，可以確定每個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間以及事件之間的相對(duì)時(shí)間。

　　時(shí)間分辨率

　　該技術(shù)以非常高的分辨率捕獲觸發(fā)定時(shí)。通過時(shí)間內(nèi)插方法，觸發(fā)定時(shí)被解析成采樣間隔非常小的部分。在高采樣率下，這可能要低于1 ns。盡管這種分辨率對(duì)各個(gè)事件的時(shí)戳關(guān)系不大，但在測量多個(gè)事件之間的時(shí)間間隔時(shí)，其提供了非常強(qiáng)大的工具。

　　FastFrame用戶界面

　　在啟動(dòng)FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)，控制面板的第一部分或第一“欄”為定義和導(dǎo)航采集提供了基本選項(xiàng)。它可以控制打開和關(guān)閉FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，允許選擇幀長度和幀數(shù)。它還提供了選項(xiàng)，可以包括“Summary”幀(“Envelope”或“Average”)。

　　由于泰克示波器提供了很長的記錄長度，因此FastFrame分段存儲(chǔ)采集可能會(huì)生成幾千個(gè)幀，在某些配置下可能會(huì)生成100萬個(gè)以上的幀。第一欄菜單中的“Single Sequencing Mode Stop Condition”選項(xiàng)允許在最后的幀填充后停止采集，或通過手動(dòng)按下示波器控制臺(tái)上的“Run/Stop”采集按鈕來停止采集。

　　FastFrame分段存儲(chǔ)菜單的第二部分或“View”欄用來定義和控制怎樣顯示幀。它控制著：輸入源，這將作為FastFrame分段存儲(chǔ)采集的焦點(diǎn)；是從“Input”通道查看波形還是從“Math”通道查看波形，有還是沒有“ReferenceWaveform”通道；以重疊方式查看多個(gè)幀。

　　FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)可能的輸入源有數(shù)據(jù)“Input”通道、“Math”通道和示波器的“Reference Waveform”通道。在選擇主來源時(shí)，應(yīng)把重點(diǎn)放在被測設(shè)備潛在問題的特定方面。源通道可以是已知顯示錯(cuò)誤的信號(hào)，也可以切換到懷疑導(dǎo)致干擾的另一條通道上，來改變重點(diǎn)。在這兩種情況下，都會(huì)查看源通道幀中的波形以及同一時(shí)段內(nèi)其它通道的波形。

　　“Lock Frames Together”控制功能決定著在查看“Input”通道和“Math”通道時(shí)是否使用“Reference Waveform”通道類似的時(shí)段。例如，F(xiàn)astFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)總是一起顯示“Input”通道的幀和“Math”通道的幀，因?yàn)楦鶕?jù)數(shù)學(xué)定義，它們本身是聯(lián)動(dòng)的。但是，“Reference Waveform”可能會(huì)完全不同，因此工程師可能希望、也可能不希望與同一時(shí)段內(nèi)的“Input”和“Math”通道一起查看“Reference Waveform”。FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)允許選擇是否使“Input”和“Math”幀與“Reference Waveform”的類比視圖聯(lián)動(dòng)。

　　“View”欄還控制著各個(gè)幀的顯示及多個(gè)幀的重疊視圖。如果多個(gè)幀重疊在一起，您可以重疊所有幀，也可以選擇所需的幀序列，只重疊部分幀。您可能想從所有幀的任何地方選擇一個(gè)參考幀，然后在上面重疊幀的一個(gè)子集。例如，如果選擇的感興趣的幀是第12號(hào)幀(幀總數(shù)為100)，您可以重疊、并把它與由從第13號(hào)幀開始另外20個(gè)幀組成的序列進(jìn)行比較。參考幀可以是任何幀，但通常是采集中的第一個(gè)幀。

　　查找串行信號(hào)中的異常事件

　　由于串行通信協(xié)議的速度不斷提高，設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜系統(tǒng)正面臨著更大的挑戰(zhàn)。干擾通信電路的小型異常事件變得更加常見，查找和隔離起來比以前更加困難。

　　DPO7254的高采樣率和長記錄長度使其能夠在足夠長的時(shí)間內(nèi)捕獲大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，提高識(shí)別信號(hào)中難檢異常事件的概率。通過使用“FastAcq”高速波形采集模式和FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，該儀器可以迅速直觀地提供用以進(jìn)一步分析的波形線索。

　　通過FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)，可以捕獲1000個(gè)信號(hào)幀，同時(shí)保持高采樣率及合適的時(shí)間精度(時(shí)間/格)和記錄長度設(shè)置?？梢詽L動(dòng)查看各個(gè)幀，但對(duì)1000個(gè)幀來說，這一過程會(huì)非常耗時(shí)、非常麻煩。為加快幀的比較速度，所有幀的重疊畫面會(huì)通過顏色編碼顯示發(fā)生頻次。您可以迅速地一目了然地查看波形內(nèi)部頻繁的異常事件，確定需要進(jìn)一步分析的區(qū)域。

　　通過使用“Analyze”上的“Frame. Finder”，您現(xiàn)在可以把目光集中在偶發(fā)(即藍(lán)色)幀上，而從層中忽略其它幀，把分層的幀區(qū)分開來。這樣只會(huì)剩下一個(gè)或幾個(gè)幀需要進(jìn)一步考察。可以在“Display Selected Frame”查看字段中指明任何一個(gè)幀。通過使用鼠標(biāo)滾輪或儀器的多功能旋鈕，比較選定幀與其它幀大大簡化。還可以使用“Frame. Delta Calculator”在屏幕上簡便地存取時(shí)戳數(shù)據(jù)，也可以保存整個(gè)時(shí)戳表，進(jìn)行離線分析。

　　本文總結(jié)

　　在同時(shí)要求高采樣率和長記錄長度的應(yīng)用中，增加更多的存儲(chǔ)器并不總能解決問題。例如，在必須采集一系列偶發(fā)性或間歇性事件的環(huán)境中，泰克高級(jí)示波器中的FastFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)為只捕獲必要的事件提供了理想的手段。通過選擇采集存儲(chǔ)器，為每個(gè)段提供觸發(fā)和時(shí)戳，F(xiàn)astFrame分段存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集，可以更加智能地使用有限的存儲(chǔ)資源。(泰克科技公司)