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如何利用示波器测试低占空比脉冲信号

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高速信号在提升电子设备性能的的同时，也为检定和调试的设计工程师带来了很多问题。在这些问题中，一类典型的例子是偶发性或间歇性的事件以及一些低占空比的信号，如激光脉冲或亚稳定性，低占空比雷达脉冲等等。这些事件很难识别和检定，要求测试设备同时提供高采样率和超强的数据捕获能力。这对示波器性能提出了极高的要求。在过去，要对这些信号的测试不得不在分辨率和捕获长度之间进行取舍：所有示波器的存储长度都是有限的；在示波器中，采样率×采集时间＝采集内存，以使用示波器的所有采集内存为例，采样率越高，则数据采集的时间窗口越小；另一方面，若需要加长采集时间窗口，则需要以降低水平分辨率( 降低采样率) 为代价。

当前的高性能示波器提供了高采样率和高带宽，因此现在的关键问题是优化示波器捕获的信号质量，其中包括：怎样以足够高的水平分辨率捕获多个事件，以有效地进行分析；怎样只存储和显示必要的数据，优化存储器的使用。

对于这两个关键问题，泰克的高性能示波器采用FastFrame分段存储技术，改善了存储使用效率和数据采集质量，消除了采集时间窗口和水平分辨率不可兼得的矛盾。

本文将分别介绍传统方法和FastFrame分段存储技术测试偶发性或间歇性的事件以及一些低占空比的信号，从而分析FastFrame分段存储技术在实际测试带来好处。

传统测试方法

传统测试低占空比脉冲等间歇性的信号，通常利用数字示波器。为了提高测试精度，通常使用示波器的最高采样率来采集波形数据。通常在高采样率的支持下，可以看到大部分波形细节，见图1。

但是，如果想查看多个连续脉冲，那么必须提高采集的时间窗口。要让多个脉冲落在示波器提供的有限存储器内，很多时候必须通过降低采样率来达到。显而易见地，降低采样率本身会降低水平分辨率，使得时间测试精度大大下降。当然，用户也可以扩展示波器的存储器的长度，在不降低采样率的情况下提高采集时间窗口。但是，这种方法有其局限性。尽管存储技术不断进步，高速采集存储器仍是一种昂贵的资源，而且很难判断多少存储容量才足够。即使拥有被认为很长的存储器长度，但可能仍不能捕获最后的、可能是最关键的事件。

图2是在长记录长度时以高分辨率捕获的多个脉冲。从图2中可以看出，时间窗口扩展了10倍，可以捕获更多的间歇性脉冲。其实现方式：通常是提高采集数据的时间长度，并提高记录长度，同时保持采样率不变。这种采集方法带来了以下这些缺点：

更大的采集数据提高了存储器和硬盘的存储要求。
更大的采集数据影响着I/O传送速率。
更高的记录长度提高了用户承担的成本。
.由于示波器要处理更多的信息，因此前后两次采集之间的不活动时间或“死区时间”提高了，导致更新速率下降。

考虑到这些矛盾，必须不断地在高采样率与每条通道提供的存储长度中间做出平衡，并且还是很难达到测试更多个脉冲的需求。

利用FastFrame测试方法

FastFrame分段存储的原理

为解决上述的问题，业内运用了许多技术。一种流行的方法是分段存储方案。采用这种存储技术的仪器，如泰克采用FastFrame分段存储技术的示波器，允许把现有的存储器分成一系列段，然后每一次触发后采集的数据只填充其中一段，每次采集都可使用所需的采样率。通过根据测试要求定义触发条件，可以只捕获感兴趣的波形段，然后将捕获的每个事件存储在拥有各自编号的存储段中。采集完成以后，用户可以按捕获顺序单独查看各个存储段的波形或帧数据，或分层显示多个存储段波形或帧数据，以方便对测试结果进行比对；同时FastFrame技术还可以忽略不想要的波形段，从而把重点放在感兴趣的信号上。

图3是示波器利用FastFrame分段存储技术采集图2中同样的信号，通过利用FastFrame技术，可以与图1一样以同样小的记录长度和同样高的采样率捕获最多脉冲波形数目，分段存储内容重叠在一起，这样所有脉冲在屏幕上相互堆叠起来，并可以观测所有波形的变化情况。

FastFrame分段存储的优势和特点

示波器利用FastFrame分段存储技术的优势如下：
高波形捕获速率提高了捕获偶发事件的能力。
使用高采样率，保留了波形细节。
如果脉冲重复速度小于示波器的最高触发速率，则捕获的脉冲之间没有漏失脉冲，保证有效利用记录长度存储器。
可以迅速地以可视方式比较波形段，确定重叠的波形中是否会异常变化。
FastFrame技术可以获取采集帧的时间相关信息

当打开示波器的FastFrame，FastFrame分段存储技术依照所选定的帧数和每帧点数(帧长度) 自动计算和选择所需的记录长度。根据提供的示波器存储器，它计算帧数和帧长度之积，选择最近的记录长度，确定适合存储器的可支持帧数。

当需要查看感兴趣的波形时，可以单独查看每个帧，在确定特定的感兴趣的帧后，可以使用仪器功能详细检定、测量、放大和分析波形。为迅速查看捕获的波形共性以外的异常事件，可以把多个帧重叠起来，显示公共波形和偏离波形。FastFrame分段存储技术中的“View Multiple Frames”选项使用颜色突出显示各个点相互重叠的频次。如在色温显示下，暖色的点表示发生频次高，冷色的点表示发生频次低。

除了每帧波形表示的部分情况以外。每帧的采集时间中也是十分重要的信息。每个触发点都有定时信息，通过分析每帧采集时间相关的信息，可以确定每个事件发生的绝对时间以及事件之间的相对时间，如图4所示，从图4可以看出，FastFrame技术不但可以得到每一帧的相对时间，而且可以得到每一帧的绝对时间。

应用实例分析

低占空比脉冲信号测试和分析

对于脉冲波形的测试，特别是一些低占空比的脉冲波形，如激光器应用中的脉冲波形，雷达脉冲等。在这些环境中，波形是由大部分时间都相同的脉冲组成的序列，但可能会偶尔突然出现不规则的脉冲，甚至这些脉冲的幅度会按某种趋势发生变化；此外，这些脉冲的时间间隔很长，示波器用传统的方法连续采集时即使占用大量存储空间还是无法采集到所需要的脉冲个数。对这些情况，利用示波器的FastFrame分段存储技术采集此类信号，捕获相应足够数量的脉冲完成分析，利用有限的存储器，仍能以很高的水平分辨率捕获每个脉冲，并可以从叠显示。

下面以低占空比脉冲为例，脉冲的宽度为12ns, 脉冲间隔为20.1 s，每个脉冲的幅度不一样，该脉冲见图5和图6。测试需求：捕获1000个该脉冲序列，观测该脉冲序列的幅度变化曲线，并且获取脉冲序列的时间间隔以及每个脉冲的绝对时间。图6是利用传统的方法捕获的波形，从图6可以看出，捕获10个脉冲已经需要10M存储器，捕获1000个脉冲需要1G的存储器，十分昂贵；如果考虑到很多应用需要捕获更多的脉冲序列，则传统的方法难以满足这样时间窗口很长的脉冲波形的测试和分析；另外，传统的方法无法精确得到脉冲的时间间隔以及每个脉冲到来的绝对时间。

图7是利用示波器的FastFrame技术对该波形进行测试和分析，从图7可以看出，FastFrame技术可以根据测试需求设置所捕获的帧数(即波形个数)，可以把所有脉冲序列波形重叠显示，还可以把所有帧的重叠画面会通过颜色编码显示每个位置发生频次，从而实现可以比较波形的变化和异常的能力。此例中，脉冲序列的幅度包含了5种不同的幅度的脉冲波形。通过FastFrame技术可以得到脉冲间的时间间隔，从图8中可以看出，第88个脉冲到第89个脉冲之间的时间间隔为20.100763 s，并可以保存每个脉冲来到的绝对时刻，见图9；加上Matlab软件连接，可以得到1000个脉冲波形按时间顺序显示出来，即得到脉冲幅度最时间的变化曲线，并得到脉冲触发时刻的绝对时间，如图10所示。

查找信号中的异常事件

由于数字信号的速度不断提高，设计和调试复杂系统正面临着更大的挑战。干扰数字电路的细小异常事件变得更加常见，查找和隔离起来比以前更加困难。图11是利用泰克的DPO示波器发现了时钟信号中有异常的欠幅信号，但不知该异常表现出现的间隔和具体时间。

通过利用示波器的FastFrame分段存储技术，设置Runt(欠幅脉冲)触发，同时保持高采样率，捕获了100个信号异常信号，然后可以滚动查看各个异常信号帧，可以迅速地一目了然地查看波形内部频繁出现的异常事件，见图12。测试人员可以查看每一个异常信号，得到每个异常信号出现的时刻和异常信号之间的时间间隔。从图12中得到了第19个异常现象到第20个异常的时间间隔为3.876秒(还可以得到其它编号的任意异常信号之间的时间)，从而帮助了进一步定位和分析故障信号出现的原因。