利用FastFrame分段存儲技術(shù)改善數(shù)據(jù)捕獲質(zhì)量

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。所有示波器的存儲長度都是有限的；采樣率越高，儀器存儲器填充速度越快，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；怎樣只存儲和顯示必要的數(shù)據(jù)，優(yōu)化存儲器的使用。幸運(yùn)的是，泰克采用FastFrame分段存儲技術(shù)的高級示波器同時(shí)改善了存儲使用效率和數(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。盡管存儲技術(shù)不斷進(jìn)步，但高速采集存儲器仍是一種寶貴的資源，而且很難辨別多少存儲容量才足夠。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，必須不斷地平衡對高采樣率的需求與每條通道提供的存儲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”方案。采用這種存儲技術(shù)的儀器，如采用FastFrame分段存儲技術(shù)的泰克示波器，允許把提供的存儲器分成一系列存儲段，然后以所需的采樣率使用觸發(fā)采集填充每個(gè)存儲段。

　　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)事件存儲在自己編號的存儲段中?？梢园床东@順序單獨(dú)查看各個(gè)存儲段或幀，或?qū)Χ鄠€(gè)存儲段或幀分層，顯示其類似程度和對比結(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分段存儲技術(shù)的示波器允許把提供的采集存儲器分成由幾十萬個(gè)樣點(diǎn)組成的幀(存儲段)。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分段存儲技術(shù)自動計(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上的多功能旋鈕選擇多個(gè)幀號，滾動查看這些幀。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分段存儲技術(shù)支持標(biāo)準(zhǔn)“Sample”采集模式及高級模式，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分段存儲技術(shù)使用“Envelope”模式，示波器會計(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FastFrame分段存儲技術(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分段存儲采集可能會生成幾千個(gè)幀，在某些配置下可能會生成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，或通過手動按下示波器控制臺上的“Run/Stop”采集按鈕來停止采集。

　　FastFrame分段存儲菜單的第二部分或“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，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)動的。但是，“Reference Waveform”可能會完全不同，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。

　　“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號幀(幀總數(shù)為100)，您可以重疊、并把它與由從第13號幀開始另外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)，提高識別信號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分段存儲技術(shù)，可以捕獲1000個(gè)信號幀，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動查看各個(gè)幀，但對1000個(gè)幀來說，這一過程會非常耗時(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。這樣只會剩下一個(gè)或幾個(gè)幀需要進(jìn)一步考察?？梢栽?ldquo;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，泰克高級示波器中的FastFrame分段存儲技術(shù)為只捕獲必要的事件提供了理想的手段。通過選擇采集存儲器，為每個(gè)段提供觸發(fā)和時(shí)戳，F(xiàn)astFrame分段存儲技術(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資源。(泰克科技公司)