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測試與測量  

運用FastFrame分段儲存技術改善數據擷取品質

上網時間: 2008年02月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:示波器  FastFrame  分段儲存 

高速數位技術在開啟新的技術可能及實現廣泛創新的同時,也為檢驗和除錯的設計工程師帶來了很多問題。在這些問題中,首當其衝的是偶發性或間歇性的事件,如雷射脈衝或次穩定性。這些事件很難識別和檢驗,要求測試測量設備同時提供高採樣率和超強的數據擷取能力。這對示波器性能提出了極高的要求,在過去,我們不得不在解析度和擷取長度之間進行取捨。所有示波器的儲存長度都是有限的;採樣率越高,儀器記憶體填充速度越快,數據採集的時間窗口越小。相反,在長時間週期內擷取數據一般需要以降低水平解析度(採樣率)為代價。

由於目前示波器提供了高採樣率和高頻寬,因此,現在的關鍵問題是最佳化示波器擷取的資訊品質,包括:怎樣以足夠高的水平解析度擷取多個事件,以有效地進行分析;怎樣只儲存和顯示必要的數據,最佳化記憶體的使用。幸運的是,太克採用FastFrame分段儲存技術的高階示波器同時改善了儲存使用效率和數據採集品質,消除了這種矛盾。

利用記錄長度優勢

考慮一下圖1中所示的單個脈衝。它是在太克DPO7254數位螢光示波器上以20GS/s的採樣率在1,000點波形中採集的。在這一採樣率下,可以看到大部份波形細節。

但是,如果您想查看多個連續脈衝,那麼必須拉長採集的時間窗口。為適應儀器提供的儲存容量,必須降低採樣率或拉長時間窗口的記錄長度。當然,降低採樣率本身會降低水平解析度。

您也可以擴大記錄長度,在不降低採樣率的情況下拉長採集時間窗口。但是,這種方法有其侷限性。儘管儲存技術不斷進步,但高速採集記憶體仍是一種寶貴的資源,而且很難辨別多少儲存容量才足夠。即使有人認為記錄長度很長,但您可能仍不能擷取最後的、可能是最關鍵的事件。

從圖2中可以看出,時間窗口擴展了10倍,可以擷取更多的連續脈衝。其實現方式是提高螢幕上顯示的格線的每個格,提高記錄長度,同時保持採樣率不變。這種更大的採集帶來了某些缺點:大量的採集提高了NVRAM和硬碟的儲存要求;大量的採集影響著I/O傳送速率(即GPIB吞吐量);更多的記錄長度提高了用戶負責的成本。

由於示波器要處理更多的資訊,因此採集之間的不活動時間週期或‘死區時間’成長了,導致更新速率下降。考慮到這些矛盾,必須不斷地平衡對高採樣率的需求與每條通道提供之儲存長度不足之間的矛盾。

圖1:以高解析度擷取的單個脈衝。
圖1:以高解析度擷取的單個脈衝。

圖2:在長記錄長度時以高解析度擷取的多個脈衝。
圖2:在長記錄長度時以高解析度擷取的多個脈衝。

分段儲存結構

為解決這個問題,業界制訂了許多策略。一種流行的方法是‘分段儲存’方案。採用這種儲存技術的儀器,如採用FastFrame分段儲存技術的太克示波器,允許把提供的記憶體分成一系列儲存段,然後以所需的採樣率使用觸發採集填充每個儲存段。

透過認真定義觸發條件,這種技術可以只擷取感興趣的波形或波形段,然後將擷取的每個事件儲存在自己編號的儲存段中。可依擷取順序單獨查看各個儲存段或訊框,或對多個儲存段或訊框分層,顯示其類似程度和對比結果。

這種功能可以把重點放在感興趣的訊號上。圖3說明了這種方法。透過使用DPO7254示波器中的FastFrame分段儲存技術,它以圖1所示的同樣小的記錄長度,以20GS/s的採樣率擷取脈衝。分段儲存內容被重疊在一起,以便所有脈衝在螢幕上相互堆疊起來。

圖3:透過使用太克FastFrame分段儲存技術,能以高解析度擷取多個脈衝。
圖3:透過使用太克FastFrame分段儲存技術,能以高解析度擷取多個脈衝。

這種方法的優點包括:高波形擷取速率提高了擷取偶發事件的能力;使用高採樣率,保留了波形細節;擷取的脈衝之間沒有死區時間,保證有效利用記錄長度記憶體;可迅速以可視方式比較波形段,確定重疊的堆疊中是否會有‘伸出’異常事件。

訊框、長度與記錄長度比較

太克採用FastFrame分段儲存技術的示波器允許把提供的採集記憶體分成由幾十萬個樣點組成的訊框(儲存段)。這種功能便於實現每秒400,000訊框的突發觸發速率(採集數量/秒),相當於最大死區時間為2.5微秒,這一觸發速率明顯快於大多數其它示波器。

在啟動時,FastFrame分段儲存技術自動運算和選擇適應您選定的訊框數和每訊框點數(訊框長度)所需的記錄長度。根據提供的儀器記憶體,它運算訊框數和訊框長度之積,選擇最近的記錄長度,確定提供適合記憶體的訊框數。

您可以單獨查看每個訊框,也可以使用滑鼠、虛擬鍵盤或儀器主控制台上的多功能旋鈕選擇多個訊框號,滾動查看這些訊框。在確定特定的感興趣的訊框時,您可以使用儀器功能,詳細檢驗、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,可以把多個訊框重疊起來,顯示公共點和偏離點。FastFrame分段儲存技術中的‘View Multiple Frames’選項使用顏色把選定數量的訊框重疊起來,突出顯示各個點相互重疊的頻次。紅色的點表示產生頻次高,藍色的點表示產生頻次低。

平均/包絡訊框

FastFrame分段儲存技術支援標準‘Sample’採集模式及高階模式,包括‘Peak Detect’、‘Hi-Res’和‘WfmDB’。‘FastFrame Setup’選單中的選項在記錄末尾為‘Envelope’或‘Average’模式提供了一個額外的訊框。

這種‘Summary’訊框使用包絡點(最大值和最小值)或選定數量訊框的平均點繪製波形圖表。

例如,在FastFrame分段儲存技術使用‘Average’模式,訊框數為10時,示波器運算10個訊框的平均值,在最後的訊框或‘Summary’訊框中顯示平均的波形。如果FastFrame分段儲存技術使用‘Envelope’模式,示波器會計算10個訊框中所有波形的最大值和最小值,作為最後訊框中的包絡波形顯示這些值。

採集的時戳

每個訊框中的波形只能說明部份情況。每個訊框的定時中也嵌入了重要資訊。每個觸發點都有定時資訊,稱為時戳(time stamp)。透過分析時戳,可以確定每個事件產生的時間以及事件之間的相對時間。

時間解析度

該技術以非常高的解析度擷取觸發定時。透過時間內插方法,觸發定時被解析成採樣間隔非常小的部份。在高採樣率下,這可能要低於1 ns。儘管這種解析度對各個事件的時戳關係不大,但在測量多個事件之間的時間間隔時,其提供了非常強大的工具。

FastFrame用戶介面

在啟動FastFrame分段儲存技術時,控制面板的第一部份或第一‘欄’為定義和導航採集提供了基本選項。它可以控制打開和關閉FastFrame分段儲存技術,允許選擇訊框長度和訊框數。它還提供了選項,可以包括‘Summary’訊框(‘Envelope’或‘Average’)。

由於太克示波器提供了很長的記錄長度,因此FastFrame分段儲存採集可能會產生幾千個訊框,在某些配置下可能會產生100萬個以上的訊框。第一欄選單中的‘Single Sequencing Mode Stop Condition’選項允許在最後的訊框填充後停止採集,或透過手動按下示波器控制台上的‘Run/Stop’採集按鈕來停止採集。

FastFrame分段儲存選單的第二部份或‘View’欄用來定義和控制怎樣顯示訊框。它控制著:輸入源,這將作為FastFrame分段儲存採集的焦點;是從‘Input’通道查看波形還是從‘Math’通道查看波形,有或沒有‘ReferenceWaveform’通道;以及以重疊方式查看多個訊框。

FastFrame分段儲存技術可能的輸入源有數據‘Input’通道、‘Math’通道和示波器的‘Reference Waveform’通道。在選擇主來源時,應把重點放在被測設備潛在問題的特定方面。源通道可以是已知顯示錯誤的訊號,也可以切換到懷疑導致干擾的另一條通道上,來改變重點。在這兩種情況下,都會查看源通道訊框中的波形以及同一時段內其它通道的波形。

‘Lock Frames Together’控制功能決定著在查看‘Input’通道和‘Math’通道時是否使用‘Reference Waveform’通道類似的時段。例如,FastFrame分段儲存技術永遠一起顯示‘Input’通道的訊框和‘Math’通道的訊框,因為根據數學定義,它們本身是聯動的。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段內的‘Input’和‘Math’通道一起查看‘Reference Waveform’。FastFrame分段儲存技術允許選擇是否使‘Input’和‘Math’訊框與‘Reference Waveform’的類比視圖聯動。

‘View’欄還控制著各個訊框的顯示及多個訊框的重疊視圖。如果多個訊框重疊在一起,您可以重疊所有訊框,也可以選擇所需的訊框序列,只重疊部份訊框。您可能想從所有訊框的任何地方選擇一個參考訊框,然後在上面重疊訊框的一個子集。例如,如果選擇的感興趣的訊框是第12號訊框(訊框總數為100),您可以重疊、並把它與由從第13號訊框開始另外20個訊框組成的序列進行比較。參考訊框可以是任何訊框,但通常是採集中的第一個訊框。

查找串列訊號中的異常事件

由於串列通訊協議的速度不斷提高,設計和除錯複雜系統正面臨著更大的挑戰。干擾通訊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的高採樣率和長記錄長度使其能夠在足夠長的時間內擷取大量的數據點,提高識別訊號中難檢異常事件的概率。透過使用‘FastAcq’高速波形採集模式和FastFrame分段儲存技術,該儀器可以迅速直觀地提供用以進一步分析的波形線索。

透過FastFrame分段儲存技術,可以擷取1,000個訊號訊框,同時保持高採樣率及合適的時間精密度(時間/格)和記錄長度設置。可以滾動查看各個訊框,但對1,000個訊框來說,這一過程會非常耗時、非常麻煩。為加速訊框的比較速度,所有訊框的重疊畫面會透過顏色編碼顯示產生頻次。您可以迅速地一目了然地查看波形內部頻繁的異常事件,確定需要進一步分析的區域。

透過使用‘Analyze’上的‘Frame Finder’,您現在可以把目光集中在偶發(即藍色)訊框上,而從層中忽略其它訊框,把分層的訊框區分開來。這樣只會剩下一個或幾個訊框需要進一步考察。可以在‘Display Selected Frame’查看字段中指明任何一個訊框。透過使用滑鼠滾輪或儀器的多功能旋鈕,比較選定訊框與其它訊框大幅簡化。還可以使用‘Frame Delta Calculator’在螢幕上簡便地存取時戳數據,也可以保存整個時戳表,進行離線分析。

本文小結

在同時要求高採樣率和長記錄長度的應用中,增加更多的記憶體並不能完全解決問題。例如,在必須採集一系列偶發性或間歇性事件的環境中,太克高階示波器中的FastFrame分段儲存技術為只擷取必要的事件提供了理想的方法。透過選擇採集記憶體,為每個段提供觸發和時戳,FastFrame分段儲存技術最佳化了數據採集,可以更智慧地使用有限的記憶體資源。

太克科技公司供稿




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