數(shù)字示波器的“靜默”和捕獲技術(shù)

2014-12-13 18:29:44姚曉平

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年23期

姚曉平

摘? 要：由于器件和功能的增多導(dǎo)致電路的測試和調(diào)試越來越困難，要全真地捕獲非周期的噪聲、串?dāng)_和瞬時等信號幾乎不可能。通過分析數(shù)字示波器的原理，探知示波器的靜默和捕獲過程，分析總結(jié)了三家著名示波器生產(chǎn)廠家對波形捕獲所應(yīng)用的各項新技術(shù)。通過隨機(jī)概論理論對波形捕獲率的分析，得到了捕獲率的量化計算公式和影響因素。提出了觸發(fā)輸出法和雙脈沖計數(shù)法二種測試示波器波形捕獲率的方法，并對市場中常見示波器的捕獲率進(jìn)行了實測驗證。

關(guān)鍵詞：波形捕獲；靜默；觸發(fā)輸出；雙脈沖法

中圖分類號： TN911.7?34； TB973??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A??????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0072?03

Abstract： It is more difficult to test and debug circuits due to the increase of devices and their function. It is almost impossible to capture the non periodic noise， crosstalk and instantaneous signals entirely. According to the principle analysis of digital oscilloscope， the oscilloscope silence and capture process were ascertained. The various new technologies mastered by three well?known manufacturers to capture oscilloscope waveform are analyzed and summarized. Through the analysis of stochastic theory of waveform capture rate， the factors affecting capture rate formula and the quantification calculation formula were obtained. The trigger output method and double pulse counting method to test oscilloscope waveform capture rate are put forward. The methods were verified by testing the capture rate of the common oscilloscopes available in market.

Keywords： waveform capture； silence； trigger output； double?pulse method

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使得器件的密度和功能增多；為了提高響應(yīng)速度而采用數(shù)字總線，為此就會給電路帶來串?dāng)_、自激、噪聲和瞬時信號不易觀測，增加了電路調(diào)試和產(chǎn)品測試的難度。這時示波器就顯得非常重要，尤其數(shù)字示波器的波形捕獲率指標(biāo)影響巨大。

1? 數(shù)字示波器捕獲技術(shù)

數(shù)字示波器CPU在采集、保持、量化、編碼、顯示、測量與分析等過程中，示波器無法捕捉信號。著名的制造商采取不同方法解決捕獲率問題。

1.1? Agilent的基于MegaZoom現(xiàn)代構(gòu)架和最新芯片系統(tǒng)的示波器捕獲技術(shù)

Agilent公司的MegaZoom技術(shù)[1?2]是應(yīng)用了多處理器和并行處理技術(shù)，使得顯示屏具有快速響應(yīng)和刷新、深存儲和高捕獲率。

（1）提高帶寬和采樣的性能。使用專利磷化銦做采樣電路，延遲線控制采樣間隔；把采樣保持電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路分開，提高響應(yīng)時間。

（2）模/數(shù)轉(zhuǎn)化電路采用8路并行信號的數(shù)據(jù)采集，采集后的信號通過80個2 Gb/s的LVDS差分傳輸線把數(shù)據(jù)傳送給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（3）在FGPA內(nèi)部嵌入MegaZoom處理核，將存儲器內(nèi)部分為兩塊，使得捕獲數(shù)據(jù)的同時可以傳遞數(shù)據(jù)。這樣可以使波形刷新率提高一倍，并提升示波器的響應(yīng)速度和精度。

1.2? 泰克公司的基于DPXTM并行構(gòu)架的數(shù)字熒光示波器捕獲技術(shù)

泰克公司基于專有的DPXTM采集技術(shù)成就了其高性能的波形捕獲能力。

（1）使用顯示和數(shù)據(jù)處理并行的架構(gòu)體系，利用以隨時間變化的幅度、時間和振幅的三維立體圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理、存儲及顯示策略。將數(shù)據(jù)直接以輝度等級的波形圖像映射到顯示屏，而處理器同時進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理等，縮短了系統(tǒng)的“靜默”時間。

（2） DPX采集技術(shù)的發(fā)明，將快刷新和模擬余輝顯示功能有機(jī)的結(jié)合，使數(shù)字示波器具有模擬示波器的顯示效果，又有數(shù)字示波器后期分析處理的能力。取樣信號[3?5]，以256級亮度可變色級存留，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性。原理如圖1所示。

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圖1 并行工作構(gòu)架的示波器示意圖

（3）獨(dú)特的分析能力。MyscopeTM用戶界面、多種觸發(fā)組合的PinPoint觸發(fā)系統(tǒng)，使得復(fù)雜的信號也能被捕獲。FastAcq信號采集技術(shù)，使信號發(fā)生的頻次使用不同顏色在屏幕上顯示。

1.3? 力科公司的基于硬件技術(shù)和強(qiáng)大分析能力的示波器捕獲技術(shù)

力科公司[6]示波器具有很高的帶寬與采樣率、全面的脈沖響應(yīng)方式、有效的電纜去嵌能力以及方便靈活的通道校準(zhǔn)能力和分析能力，是實現(xiàn)高捕獲波形性能的關(guān)鍵。

（1）為了保證輸入通道的高采樣和信號一致性，選用了對稱拓?fù)湟种萍舛斯材ｋ妷汉途_的等效電路使得差分探頭的負(fù)載效應(yīng)為最??；而前端放大器到ADC采樣芯片之間的信號通路選用二顆芯片疊加采樣的構(gòu)造，促進(jìn)了對捕獲高速信號有著良好的性能。

（2）選用8HP鍺化硅工藝和DBI技術(shù)，使得示波器的帶寬和采集模塊性能得到了提高，而不是采用傳統(tǒng)的“DSP Boost”“拉伸”帶寬法，減少了高頻諧波失真和底噪較大的問題。DBI技術(shù)的使用，提高了實時示波器的帶寬。同時，還將示波器的信號采集功能從顯示、控制以及處理功能中獨(dú)立了出來，形成并行結(jié)構(gòu)。TriggerScan智能觸發(fā)方式，使得它能隔離并觸發(fā)異常信號；具有最大存儲深度相匹配的數(shù)據(jù)處理能力，很高的響應(yīng)能力。

（3）良好的分析能力。一是電纜去嵌能力，Pulse Mode，Eye Mode和Flatness Mode這三種脈沖響應(yīng)方式適應(yīng)不同信號的測試應(yīng)用需求。示波器內(nèi)同時嵌入了這三種響應(yīng)方式，使得電纜去嵌能補(bǔ)償電纜在全頻段的損耗，使示波器的精確性和重復(fù)性得到了提高。二是具有WaveScan功能，就是波形“掃描”，多種掃描的模式，可以對通道實時輸入的波形做分析。具有波形搜索能力，可以持續(xù)刷新和監(jiān)測波形。三是Web級連運(yùn)算仿真功能。

2? 數(shù)字示波器原理

圖2是數(shù)字示波器的原理框圖，輸入信號經(jīng)探頭送到前端放大器，輸出的信號由取樣、保持電路進(jìn)行取樣，并由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的信號存到存儲器中，CPU對信號進(jìn)行波形處理，并送到顯示屏上。根據(jù)需要還可以做進(jìn)一步的圖形、數(shù)據(jù)處理、存儲比較等工作。這是一個鏈條式的過程，由輸入到顯示，再重復(fù)以上過程。

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圖2 數(shù)字示波器的原理框圖

2.1? 數(shù)字示波器的采集與死區(qū)時間關(guān)系

示波器從采樣信號到波形顯示的全過程稱為捕獲周期，在捕獲的一個周期結(jié)束后，才可以進(jìn)行下一個周期。所以，數(shù)字示波器采集波形時間非常短，大部分時間都用于對波形的后處理上，在這個過程，示波器就處于盲區(qū)，它“靜默”了，不接受被測信號，所以稱這段時間為靜默（死區(qū)）時間。即兩次采集之間，示波器觸發(fā)釋抑、重新準(zhǔn)備下一次采集、數(shù)據(jù)處理時間的總和。死區(qū)時間比采集時間長，如圖3所示。由于示波器靜默的存在，導(dǎo)致示波器可能漏掉異常信號，給用戶一個不保真的結(jié)果，導(dǎo)致測量結(jié)果誤導(dǎo)。

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圖3 數(shù)字示波器的采集與死區(qū)時間關(guān)系

在數(shù)字示波器中CPU需要對顯示、測量、觸發(fā)、運(yùn)算等許多功能進(jìn)行處理，所以會產(chǎn)生某項功能在某些時候會靜默。而在示波器取不同的時基時靜默時間也不同，時基越小，靜默時間越長；反之則越短。從實測和理論計算發(fā)現(xiàn)，捕獲時間比死區(qū)時間來說非常短，當(dāng)死區(qū)時間從99.999%減少到90%，減少了不到10%，但波形捕獲率可提高1 萬倍。

2.2? 數(shù)字示波器的波形捕獲率的估算[7?9]

波形捕獲率就是單位時間內(nèi)示波器捕獲并顯示的波形次數(shù)。可以用公式表示為：

[B=1T0] （1）

式中：[T0]為系統(tǒng)完成一次采集、顯示波形所需要的時間，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s；

由圖3不難確定采集系統(tǒng)的死區(qū)時間與波形捕獲率的比例關(guān)系如下式所示：

[T死=（T0-T采）T0×100%=（1-T采B）×100%]?? （2）

式中：[T死]為死區(qū)時間；[T采]為采集時間，與時基檔位、儲存深度和采樣率等有關(guān)。

由式（2）可以看出，當(dāng)采集時間一定時，死區(qū)時間與波形捕獲率成反比，即波形捕獲率越大，死區(qū)時間所占比例越小，反之則所占比例越大。由于死區(qū)時間所占的比率在0～100%之間，故波形捕獲率的取值為[0≤P≤1T采，]同理，當(dāng)波形捕獲率一定時，死區(qū)時間與有效采集時間成反比關(guān)系，即有效采集時間越大，死區(qū)時間所占比例越小，反之則所占比例越大。所以，減小死區(qū)時間所占比例或增大采集時間，是提高系統(tǒng)波形捕獲率的兩種方法。

根據(jù)隨機(jī)概率理論，可以得到擲色子同一面向上的幾率，擲一次同一面向上的幾率[P]為[16，]擲[n]次一面向上的機(jī)率為：

[P=1-（1-1R）n] （3）

當(dāng)然，擲色子的次數(shù)[n]多了，同一面向上的機(jī)率就會增加，但不會等于或超過100%。

假設(shè)在單位時間內(nèi)異常瞬態(tài)信號發(fā)生的概率為[R，]一次采集過程中有效采集時間的顯示時間為[T，]一次采集能夠捕捉到該信號的概率為[P，][B]為波形捕獲率，則：

[P=1-（1-RT）B] （4）

因此，示波器的波形捕獲率[B]越大，單位時間內(nèi)能夠捕獲到瞬態(tài)信號的概率就越大，示波器的測試時間越短。

3? 捕獲率測試方法

根據(jù)波形捕獲率的定義，可以用以下兩種實測方法對儀器標(biāo)稱值進(jìn)行驗證。一般示波器說明書上標(biāo)注的是指在特定的設(shè)置下所產(chǎn)生的最高值。可以用下面的方法進(jìn)行：

（1）觸發(fā)輸出法。其步驟為先將被測示波器的Trigger Out輸出至任意一臺示波器的輸入端CH1。然后將被測示波器設(shè)置為：ACQUIRE→RECORD；LENGTH→SHORT；ACQUIRE→MODE→SAMPLE；TRIGGER→AUTO。最后調(diào)整任意一臺示波器垂直檔位和時基，打開CURSOR，會在被測示波器的屏幕上出現(xiàn)如圖4所示的觸發(fā)脈沖波形，不停地按SINGLE鍵，抓單次信號直到兩個觸發(fā)脈沖頂端之間的時間間隔最短，如圖4中的10.4 μs。計算波形捕獲率為[110.4] μs=96 150 wfms/s。

（2）雙脈沖計數(shù)法。其步驟為先將脈沖信號發(fā)生器的輸出連到被測示波器的輸入通道。設(shè)置被測示波器工作在最高捕獲率的時基下，觸發(fā)方式選正常，觸發(fā)類型選邊沿，顯示方式為無限余輝，調(diào)節(jié)幅度檔位為適當(dāng)。

如圖5所示，測試信號選輸出單次雙脈沖，一段較窄脈沖為[W1]和一段較寬脈沖為[W2，]兩個脈沖的上升沿對應(yīng)著波形的觸發(fā)位置[t1]和[t2，][t1]和[t2]之間的時間間隔可調(diào)節(jié)。測試前先關(guān)閉信號發(fā)生器的輸出。

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圖4 觸發(fā)脈沖波形

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圖5 單次雙脈沖測試信號

啟動采集，待示波器進(jìn)入等待觸發(fā)狀態(tài)后，打開信號發(fā)生器的輸出開關(guān)，觀察被測示波器波形顯示區(qū)。

首先設(shè)定較小的時間間隔[T0，]讓示波器采集到的波形如圖6（a）所示，即示波器波形顯示區(qū)域中只有一個窄脈沖；然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，逐漸增大[T0，]重新進(jìn)行上述測試，直到采集到的信號正好如圖6（b）所示，即示波器波形顯示區(qū)域中有重疊在一起的兩個脈沖。

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圖6 捕捉到的雙脈沖波形

根據(jù)此時信號源設(shè)定的時間間隔[T0，]由式（5）得到示波器波形捕獲率的瞬時值。也就是當(dāng)信號源的頻率與示波器同步時就是當(dāng)前捕獲率：

[B=1T0] （5）

式中：[T0]為[t1]和[t2]之間的時間間隔，單位：s；[B]為被測示波器的波形捕獲率，單位：wfms/s。

表1是幾款示波器捕獲率的實測值（單位：wfms/s）。

表1 波形捕獲率測試對比????? wfms/s

[型號＼&；標(biāo)稱捕獲率＼&；觸發(fā)輸出法

實測捕獲率＼&；雙脈沖計數(shù)法實測捕獲率＼&；TDS3012＼&；3 600＼&；3 305＼&；3 325＼&；DPO4054＼&；50 000＼&；48 698＼&；49 003＼&；GDS?2000＼&；80 000＼&；96 150＼&；95 876＼&；DS1000＼&；2 000＼&；1 901＼&；1 977＼&；UT2012＼&；2 500＼&；2 487＼&；2 502＼&；]

從表1測量數(shù)據(jù)得出，與標(biāo)稱值相符。

4? 結(jié)? 論

經(jīng)過以上的理論和實測分析，捕獲技術(shù)是示波器的一個重要指標(biāo)。捕獲能力越強(qiáng)，得到的信號特性就越多；捕獲到異常信號的機(jī)率就越高。就捕獲技術(shù)來說，應(yīng)該減少“靜默”時間，增加采集次數(shù)是解決捕獲率問題的途徑。現(xiàn)在技術(shù)主要是從硬件構(gòu)件、并行處理和分析能力等方面考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]安捷倫公司.評測擁有最佳波形捕獲率的示波器[EB/OL].[[2011?05?15]].? http：//cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/[5989?]

7885CHCN.pdf.

[2]安捷倫公司.評估示波器的信號保真度[EB/OL].[2014?05?14].http：//share.eepw.com.cn/share/download/id/167042.

[3] ALLAN R. DPOs employ intuitive learning to raise productivity bar [J]. Electronic Design，? 2004， 52（6）： 32?37.

[4] Tektronix Inc. Third?generation? digital? phosphor? oscilloscopes? deliver? unprecedented waveform visualization [EB/OL]. [1999?02?23]. http：//www.tek.com.

[5] Tektronix Inc. The DPO breakthrough [EB/OL]. [2006?01?04]. http：//www.tek.com.

[6] 力科公司.史上最強(qiáng)的第四代示波器WavePro 7Zi述評[EB/OL].[2008?07?11].http：//www.eefocus.com/bbs/article_9_26302.html.

[7] 葉芃，曾浩，向川云，等.數(shù)字存儲示波器波形捕獲率測試方法[J].計量學(xué)報，2010（6）：551?554.

[8] 張榮成.利用RIGOL DS6000示波器的高波形捕獲率觀察偶發(fā)信號[J].電子設(shè)計技術(shù)，2011（8）：60?61.

[9] 汪進(jìn)進(jìn).關(guān)于示波器捕獲信號的基本原則及基本操作步驟[J].電子質(zhì)量，2009（5）：15?18.