如何利用示波器測試低佔空比脈衝信號

高速信號在提升電子設備性能的的同時，也為檢定和調試的設計工程師帶來了很多問題。在這些問題中，一類典型的例子是偶發性或間歇性的事件以及一些低佔空比的信號，如雷射脈衝或亞穩定性，低佔空比雷達脈衝等等。這些事件很難識別和檢定，要求測試設備同時提供高採樣率和超強的數據捕獲能力。這對示波器性能提出了極高的要求。在過去，要對這些信號的測試不得不在解析度和捕獲長度之間進行取捨：所有示波器的存儲長度都是有限的；在示波器中，採樣率×採集時間＝採集內存，以使用示波器的所有採集內存為例，採樣率越高，則數據採集的時間窗口越小；另一方面，若需要加長採集時間窗口，則需要以降低水平解析度( 降低採樣率) 為代價。

當前的高性能示波器提供了高採樣率和高帶寬，因此現在的關鍵問題是優化示波器捕獲的信號質量，其中包括：怎樣以足夠高的水平解析度捕獲多個事件，以有效地進行分析；怎樣只存儲和顯示必要的數據，優化存儲器的使用。

對於這兩個關鍵問題，泰克的高性能示波器採用FastFrame分段存儲技術，改善了存儲使用效率和數據採集質量，消除了採集時間窗口和水平解析度不可兼得的矛盾。

本文將分別介紹傳統方法和FastFrame分段存儲技術測試偶發性或間歇性的事件以及一些低佔空比的信號，從而分析FastFrame分段存儲技術在實際測試帶來好處。

傳統測試方法

傳統測試低佔空比脈衝等間歇性的信號，通常利用數字示波器。為了提高測試精度，通常使用示波器的最高採樣率來採集波形數據。通常在高採樣率的支持下，可以看到大部分波形細節，見圖1。

但是，如果想查看多個連續脈衝，那麼必須提高採集的時間窗口。要讓多個脈衝落在示波器提供的有限存儲器內，很多時候必須通過降低採樣率來達到。顯而易見地，降低採樣率本身會降低水平解析度，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，在不降低採樣率的情況下提高採集時間窗口。但是，這種方法有其局限性。儘管存儲技術不斷進步，高速採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後的、可能是最關鍵的事件。

圖2是在長記錄長度時以高解析度捕獲的多個脈衝。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衝。其實現方式：通常是提高採集數據的時間長度，並提高記錄長度，同時保持採樣率不變。這種採集方法帶來了以下這些缺點：

1. 更大的採集數據提高了存儲器和硬碟的存儲要求。
2. 更大的採集數據影響著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. .由於示波器要處理更多的信息，因此前後兩次採集之間的不活動時間或「死區時間」提高了，導致更新速率下降。

考慮到這些矛盾，必須不斷地在高採樣率與每條通道提供的存儲長度中間做出平衡，並且還是很難達到測試更多個脈衝的需求。

利用FastFrame測試方法

FastFrame分段存儲的原理

為解決上述的問題，業內運用了許多技術。一種流行的方法是分段存儲方案。採用這種存儲技術的儀器，如泰克採用FastFrame分段存儲技術的示波器，允許把現有的存儲器分成一系列段，然後每一次觸發後採集的數據只填充其中一段，每次採集都可使用所需的採樣率。通過根據測試要求定義觸發條件，可以只捕獲感興趣的波形段，然後將捕獲的每個事件存儲在擁有各自編號的存儲段中。採集完成以後，用戶可以按捕獲順序單獨查看各個存儲段的波形或幀數據，或分層顯示多個存儲段波形或幀數據，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分段存儲技術採集圖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採樣率捕獲最多脈衝波形數目，分段存儲內容重疊在一起，這樣所有脈衝在屏幕上相互堆疊起來，並可以觀測所有波形的變化情況。

FastFrame分段存儲的優勢和特點

• 示波器利用FastFrame分段存儲技術的優勢如下：
• 高波形捕獲速率提高了捕獲偶發事件的能力。
• 使用高採樣率，保留了波形細節。
• 如果脈衝重複速度小於示波器的最高觸發速率，則捕獲的脈衝之間沒有漏失脈衝，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技術可以獲取採集幀的時間相關信息

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

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後，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，暖色的點表示發生頻次高，冷色的點表示發生頻次低。

除了每幀波形表示的部分情況以外。每幀的採集時間中也是十分重要的信息。每個觸發點都有定時信息，通過分析每幀採集時間相關的信息，可以確定每個事件發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，FastFrame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

低佔空比脈衝信號測試和分析

對於脈衝波形的測試，特別是一些低佔空比的脈衝波形，如雷射器應用中的脈衝波形，雷達脈衝等。在這些環境中，波形是由大部分時間都相同的脈衝組成的序列，但可能會偶爾突然出現不規則的脈衝，甚至這些脈衝的幅度會按某種趨勢發生變化；此外，這些脈衝的時間間隔很長，示波器用傳統的方法連續採集時即使佔用大量存儲空間還是無法採集到所需要的脈衝個數。對這些情況，利用示波器的FastFrame分段存儲技術採集此類信號，捕獲相應足夠數量的脈衝完成分析，利用有限的存儲器，仍能以很高的水平解析度捕獲每個脈衝，並可以從疊顯示。

下面以低佔空比脈衝為例，脈衝的寬度為12ns, 脈衝間隔為20.1s，每個脈衝的幅度不一樣，該脈衝見圖5和圖6。測試需求：捕獲1000個該脈衝序列，觀測該脈衝序列的幅度變化曲線，並且獲取脈衝序列的時間間隔以及每個脈衝的絕對時間。圖6是利用傳統的方法捕獲的波形，從圖6可以看出，捕獲10個脈衝已經需要10M存儲器，捕獲1000個脈衝需要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衝序列，則傳統的方法難以滿足這樣時間窗口很長的脈衝波形的測試和分析；另外，傳統的方法無法精確得到脈衝的時間間隔以及每個脈衝到來的絕對時間。

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，FastFrame技術可以根據測試需求設置所捕獲的幀數(即波形個數)，可以把所有脈衝序列波形重疊顯示，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生頻次，從而實現可以比較波形的變化和異常的能力。此例中，脈衝序列的幅度包含了5種不同的幅度的脈衝波形。通過FastFrame技術可以得到脈衝間的時間間隔，從圖8中可以看出，第88個脈衝到第89個脈衝之間的時間間隔為20.100763s，並可以保存每個脈衝來到的絕對時刻，見圖9；加上Matlab軟體連接，可以得到1000個脈衝波形按時間順序顯示出來，即得到脈衝幅度最時間的變化曲線，並得到脈衝觸發時刻的絕對時間，如圖10所示。

查找信號中的異常事件

由於數位訊號的速度不斷提高，設計和調試複雜系統正面臨著更大的挑戰。幹擾數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示波器發現了時鐘信號中有異常的欠幅信號，但不知該異常表現出現的間隔和具體時間。

通過利用示波器的FastFrame分段存儲技術，設置Runt(欠幅脈衝)觸發，同時保持高採樣率，捕獲了100個信號異常信號，然後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的原因。

總結

利用具有FastFrame分段存儲技術的示波器來測試低佔空比信號(如雷射脈衝﹑雷達脈衝等)或偶發性信號，不但可以保證示波器能夠高採樣率捕獲所觀測的信號，使得測試精度大大提高，還可以得到每個脈衝信號的到來的絕對時間、直接讀出不同脈衝之間的相對時間，從而解決以前對這種信號難以測試的難題。