測(cè)量從觸發(fā)開(kāi)始

由于當(dāng)今在消費(fèi)電子、汽車以及航天應(yīng)用中所使用的產(chǎn)品隨著不斷的更新而變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)，不斷完善的測(cè)試能力以及不斷縮短的測(cè)試時(shí)間和上市時(shí)間給測(cè)試儀器提出了更多的要求。

對(duì)于像示波器這樣的儀器，一個(gè)主要的需求是快速且可靠地對(duì)已知信號(hào)流中的感興趣事件進(jìn)行檢測(cè)和觸發(fā)。對(duì)特定事件的檢測(cè)越及時(shí)，電子設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題就能夠越快地被糾正，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試時(shí)間。

這一點(diǎn)對(duì)于示波器供應(yīng)商來(lái)說(shuō)同樣重要。許多供應(yīng)商提供100多個(gè)預(yù)定義的觸發(fā)來(lái)幫助用戶將常見(jiàn)和不常見(jiàn)的信號(hào)條件快速分開(kāi)。這一方面提高了靈活性，但是另一方面，選擇正確的觸發(fā)本身要比實(shí)際捕獲信號(hào)更加困難，因?yàn)橛|發(fā)具有多種多樣的類型、速度、帶寬、延時(shí)和軟件等，而且每一個(gè)觸發(fā)都需要在靈活性與死區(qū)時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。 理解每種類型的觸發(fā)以及相應(yīng)的權(quán)衡可以幫助用戶找出理想的觸發(fā)方法來(lái)提高成功觸發(fā)事件的幾率。

兩方面因素決定了示波器的觸發(fā)性能：

觸發(fā)靈活性描述了定義觸發(fā)閾值或條件來(lái)適應(yīng)各種被測(cè)信號(hào)條件狀態(tài)以提高效率的簡(jiǎn)單程度。 大多數(shù)示波器提供了供應(yīng)商定義的各種觸發(fā)功能，包括參數(shù)最低值設(shè)定，比如電平或?qū)挾鹊龋菦](méi)有提供一種方法來(lái)自定義這些參數(shù)。

觸發(fā)死區(qū)時(shí)間是指示波器在相鄰兩次采集之間無(wú)法檢測(cè)到觸發(fā)的時(shí)間長(zhǎng)度。這意味著如果感興趣事件發(fā)生在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，那么它將錯(cuò)過(guò)觸發(fā)條件。觸發(fā)死區(qū)時(shí)間是所有觸發(fā)架構(gòu)的固有特性，但是我們可以采用一些方法和技術(shù)來(lái)最小化這個(gè)時(shí)間。 許多示波器供應(yīng)商提供了基于軟件的觸發(fā)器來(lái)增強(qiáng)靈活性，但是由于需要后處理，這類觸發(fā)需要較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，因此不適合小概率和不頻繁發(fā)生事件的檢測(cè)。

1. 傳統(tǒng)觸發(fā)
邊沿觸發(fā)（邏輯信號(hào)從高電平變成低電平或從低電平變成高電平時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)）是目前最常見(jiàn)的示波器觸發(fā)模式。大部分簡(jiǎn)單的調(diào)試和測(cè)試功能都是通過(guò)邊沿觸發(fā)進(jìn)行處理，但是有時(shí)候需要一些更復(fù)雜的觸發(fā)來(lái)隔離特定形狀的信號(hào)或連續(xù)隔離多個(gè)形狀的信號(hào)。示波器也包含了一些更高級(jí)的觸發(fā)選項(xiàng)，提供了更高靈活性來(lái)捕獲例如I2C或SPI等串行協(xié)議以及高級(jí)事件和信號(hào)特性，比如毛刺、矮脈沖、寬度、轉(zhuǎn)換速率、超時(shí)等。

圖1.這是一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理的示波器框圖。 采集內(nèi)存和信號(hào)處理單元決定了示波器的采集更新速率和死區(qū)時(shí)間。

許多觸發(fā)條件在硬件中執(zhí)行，但是更為復(fù)雜的觸發(fā)選項(xiàng)和信號(hào)認(rèn)證通常在類似于圖1中的軟件中執(zhí)行。軟件觸發(fā)提供了最佳的靈活性，但是也增加了必要的數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)示波器無(wú)法檢測(cè)到新的觸發(fā)，如圖2所示。系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)觸發(fā)的時(shí)間段稱為死區(qū)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間往往比實(shí)際采集數(shù)據(jù)記錄時(shí)間更長(zhǎng)—換句話說(shuō)，示波器觸發(fā)系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間可能占據(jù)超過(guò)95%。這使得檢測(cè)小概率或低頻率事件變得更為困難，而且導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間更長(zhǎng)。 更糟糕的是，用戶可能錯(cuò)誤地假設(shè)預(yù)期事件沒(méi)有發(fā)生，因?yàn)轭A(yù)期事件發(fā)生的概率太低以至于其在測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有被檢測(cè)到。

圖2.該圖顯示了傳統(tǒng)示波器的數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程，其中波形捕獲（上）和連續(xù)處理（下）之間存在死區(qū)時(shí)間。

如果示波器的可用觸發(fā)或信號(hào)分析能力無(wú)法滿足任務(wù)的需求，那么用戶的唯一選擇就是采集較長(zhǎng)的波形片段，并將這些片段的原始數(shù)據(jù)下載到電腦上進(jìn)行后期處理來(lái)找到特定事件。但是這增加了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜度，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間，整個(gè)測(cè)試的時(shí)間變長(zhǎng)了。

2. 生成觸發(fā)，無(wú)需權(quán)衡
雖然大部分基于軟件或智能觸發(fā)選項(xiàng)可以滿足電子電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試需要，但是如果不將小概率事件迅速隔離或糾正,這些事件往往會(huì)使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間拉長(zhǎng)。由于示波器觸發(fā)功能的局限性，用戶只能使用供應(yīng)商所提供的功能。

如果用戶可以在示波器內(nèi)自行開(kāi)發(fā)自己的算法，那么就可以針對(duì)特定任務(wù)自定義儀器的功能，從而不受限于供應(yīng)商提供的功能。比如，用戶可以針對(duì)特定應(yīng)用自行定義觸發(fā)條件來(lái)專門(mén)捕獲某個(gè)信號(hào)條件，這樣就無(wú)需在PC上進(jìn)行后續(xù)處理，從而大大減少測(cè)試時(shí)間，如圖3所示。

為示波器提供在線數(shù)據(jù)處理以及重新編程算法的靈活性的關(guān)鍵技術(shù)是FPGA，F(xiàn)PGA從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是可編程芯片，它可以通過(guò)真正的并行機(jī)制高速執(zhí)行自定義信號(hào)處理和控制算法。 FPGA的靈活性讓用戶可以修改或者增加特定的觸發(fā)算法，同時(shí)高吞吐量的數(shù)據(jù)處理可在采集過(guò)程中實(shí)時(shí)地分析數(shù)據(jù)樣本，而不是之后再進(jìn)行處理。這可以避免死區(qū)時(shí)間、防止觸發(fā)遺漏并幫助用戶更快地檢測(cè)小概率事件。

用戶定義觸發(fā)的一個(gè)例子是檢測(cè)不符合標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)定義的信號(hào)波形或電平躍遷，如圖3中所示的信號(hào)。這種數(shù)字信號(hào)展示了一種非單調(diào)邊沿，其原因可能是信號(hào)反射或被測(cè)電路的電源故障。標(biāo)準(zhǔn)邊沿或?qū)挾扔|發(fā)無(wú)法檢測(cè)這種不期望的信號(hào)，而且使用常規(guī)手段進(jìn)行檢測(cè)基本不可能。我們需要研究一種新的觸發(fā)精確并連續(xù)地捕獲這個(gè)事件。為了解決這一問(wèn)題，我們需要開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件觸發(fā)器；然而這種方法存在較大的觸發(fā)死區(qū)時(shí)間，無(wú)法快速檢測(cè)小概率事件?；蛘?，可以采用用戶可編程的FPGA來(lái)提供多個(gè)窗觸發(fā)，當(dāng)所有窗觸發(fā)同時(shí)檢測(cè)到有效觸發(fā)條件時(shí)，就會(huì)將采集的樣本與掩模進(jìn)行對(duì)比，從而產(chǎn)生一個(gè)組合觸發(fā)來(lái)采集信號(hào)。
由于FPGA可連續(xù)實(shí)時(shí)地評(píng)估信號(hào)，因此示波器既可以捕獲單個(gè)信號(hào)，也可以采集連續(xù)信號(hào)，而且在兩次采集之間不會(huì)存在死區(qū)時(shí)間。

圖3.使用用戶定義觸發(fā)捕獲特定信號(hào)躍遷；該功能在可重配置示波器的FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3. 可重配置示波器
多年來(lái)，測(cè)試工程師們使用LabVIEW等軟件工具來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)臺(tái)式儀器內(nèi)的固定軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)測(cè)試以及測(cè)量結(jié)果分析和顯示的自動(dòng)化，從而節(jié)省了測(cè)試成本。 這種方法提供了靈活性并且利用了最新的PC和CPU技術(shù)。 然而，用戶的需求往往不僅限于此，他們通常需要修改儀器的測(cè)量方式來(lái)更好地滿足應(yīng)用的需求。

傳統(tǒng)的現(xiàn)成儀器由供應(yīng)商定義并僅提供固定的功能；而NI率先采用FPGA技術(shù)提供更加開(kāi)放、靈活的儀器。 于是，獲得了兼具這兩種特性的硬件： 固定、高質(zhì)量的測(cè)量技術(shù)；最新的數(shù)字總線集成；用戶可定制的高度并行邏輯，這種邏輯提供了低延時(shí)并直接與I/O關(guān)聯(lián)以便進(jìn)行在線處理。

圖4.可重配置示波器NI PXIe-5171R的功能框圖。

借助FPGA內(nèi)供應(yīng)商提供的開(kāi)放軟件，用戶可以擴(kuò)展儀器的功能，比如自定義觸發(fā)或額外定時(shí)或控制信號(hào)。 用戶也可以在通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的儀器的FPGA中實(shí)現(xiàn)他們自己的算法，重新定義硬件功能來(lái)完成完全不同的任務(wù)。 比如，示波器可以變成一個(gè)實(shí)時(shí)頻譜分析儀、瞬態(tài)記錄儀、協(xié)議分析儀、射頻接收器或者其它儀器。

設(shè)備成本是測(cè)試系統(tǒng)的一項(xiàng)主要成本，由于需要購(gòu)買和維護(hù)的儀器數(shù)目更少，可重配置設(shè)備可以幫助用戶節(jié)約設(shè)備成本。這一點(diǎn)對(duì)于需要長(zhǎng)期（超過(guò)10年）使用的測(cè)試和儀器功能來(lái)說(shuō)尤其有用，比如軍用或者航天測(cè)試系統(tǒng)，它們常常需要再現(xiàn)已被淘汰（生命周期結(jié)束）的舊儀器的功能。

可重配置儀器非常適用于這一應(yīng)用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)重新編程可以模擬舊儀器的功能。測(cè)試系統(tǒng)軟件只需少量的重新編程和重新認(rèn)證就可與新儀器配合工作，因此能幫助用戶節(jié)省成本。

此類儀器的一個(gè)例子是 NI PXIe-5171R reconfigurable oscilloscope，它使用Xilinx Kintex-7 FPGA實(shí)時(shí)處理來(lái)自8個(gè)輸入通道的采樣。 圖4展示了用戶可編程的FPGA如何集成到數(shù)據(jù)路徑中并提供對(duì)儀器的控制信號(hào)和定時(shí)信號(hào)的訪問(wèn)。

4. 結(jié)論
由于缺乏靈活性和實(shí)時(shí)分析能力，傳統(tǒng)的示波器觸發(fā)方法在捕獲小概率和復(fù)雜事件上面臨挑戰(zhàn)。 新方法利用了FPGA技術(shù)來(lái)自定義觸發(fā)功能，以滿足復(fù)雜的觸發(fā)條件以及實(shí)時(shí)信號(hào)處理和分析需求。