原创 泰克DPO4000简化波形分析应用文章

文章出处:与非网

引言

        几十年来，示波器一直是研究和设计中必不可少的工具，激发了无数个行业的稳步创新能力。示波器的一个主要指标是记录长度。记录长度是示波器可以在一次采集中数字化及存储的样点数量。记录长度越长，示波器可以以高定时分辨率 (高取样速率) 捕获的时间窗口越长。世界上第一台数字示波器只能捕获和存储 500 点数据，很难采集被考察的事件周围的所有相关信息。设计人员一直面临着一个选择：是以低分辨率采集更长的时间，还是以高分辨率采集较短的时间，而设计人员真正想要的是同时实现长捕获窗口和高分辨率。随着时间推移及技术发展，数字化更多细节的速度、简便程度和成本都变得更加有利。但与此同时，时钟速度提高，更宽、速度更快的并行设计及转向串行总线使得总线拓扑不断演变，整体系统的设计复杂度急剧提高。因此，设计人员对高分辨率、更长捕获窗口的需求不断攀升，其增长速度要等于、甚至要大于示波器制造商提高记录长度的能力。这一发展趋势将不会停顿。摩尔定律正以更快的速度不断推动电子技术发展，系统设计正变得更加复杂，设计、构建、调试及在中断时修复起来也相应地更加困难。那么这对现代示波器意味着什么呢？随着设计变得越来越快、越来越复杂，对长记录、更多带宽和更高取样速率的需求也会提高。这些主要指标之间的关系并不复杂。随着带宽提高，取样速率必须大约高出五倍，才能精确地捕获信号的高频成分。在取样速率提高时，一定的信号采集时间窗口要求更多的样点。例如，以5GS/s 速率捕获2 ms 的100 MHz 信号要求1000 万点的记录(2 ms 除以200 ps 取样间隔)。即使在较低的频率上，仍有许多应用要求长记录。捕获一帧NTSC(1/30秒间隔的两个场，取样速率为100 MS/s，以解析所有亮度信息)要求300 多万点(33 ms 除以10 ns)。在1Mb/sCAN 总线上捕获几秒的总线业务，诊断机电系统中的问题，可能要求1000 万点，以充分进行解析。这些应用及各种其它应用已经推动、且将继续推动对更长、更详细的数据捕获窗口的需求。

分析所有数据

        如前所述，世界上第一台数字示波器的记录长度非常短。因此，查看示波器捕获的所有项目非常容易，因为所有内容都一次性显示在屏幕上。随着记录变长，需要使用水平滚动查看所有数据。在从一屏信息移到两屏信息，然后移到四屏信息，然后移到八屏信息，然后移到12屏信息时，这不是大问题。然而，随着在每一代示波器中的记录变得越来越长，查看一次采集中捕获的所有数据所需的时间也变得越来越长。我们现在要处理几百万点的记录长度，代表着几千屏的信号活动。作为类比，想象一下如果没有喜欢的搜索引擎、网络浏览器或收藏夹的帮助，却想找到您要找到的东西，这有点象大海捞针。直到现在，这一直是示波器用户在长记录长度示波器中所面临的问题。很明显，旧的解决方案不再能够奏效。

图1. DPO4000系列Wave Inspector为有效分析波形提供了专用前面板控制功能。

Wave Inspector

        通过DPO4000 系列Wave Inspector 控制功能，处理长记录、从波形中提取所需的信息变成一个简单高效的流程。

缩放/ 平移
        当前市场上的大多数数字示波器提供了某种形式的缩放功能。但是，与缩放视图有关的控制功能(缩放系数和位置)经常深埋在多个菜单中，或与其它前面板控制功能重合在一起。例如，缩放的水平位置一般通过前面板上的水平位置旋钮控制。一旦已经放大了感兴趣的事件，如果想把缩放窗口移动到采集中的另一个位置，一般要无数次旋转水平位置旋钮，慢慢把窗口移到新位置，或者放大，调节窗口位置，然后再缩小。这两种方法都效率差，不直观。而为了访问这些基本缩放控制功能而不得不浏览菜单时，效率就会变得更差了。Wave Inspector 提供了一个专用的两层前面板缩放/ 平移控制功能，可以有效地浏览波形。内部旋钮控制着缩放系数。顺时钟旋转旋钮越多，放大得越大。反时针旋转旋钮可以缩小，最终关闭缩放。

        在图1A中，我们正在探测一条I2C总线。上面的窗口中显示了整个采集，下面较大的窗口是缩放的部分。在这种情况下，我们已经放大查看两个特定分组的解码后地址和数据值。外环是强制/ 速率敏感的平移控制功能。顺时针旋转，可以把放大窗口向右平移到波形上，反时针旋转则向左平移。旋转得越多，缩放窗口在波形中移动得越快。在图2 中，通过简单地以希望的方向旋转平移控制功能，我们可以迅速从一个分组浏览下一个分组。即使是在1000 万点的采集中，也可以在几秒内，迅速把缩放窗口从记录一端移到另一端，而不必改变缩放系数。

图1A. Wave Inspector 提供了专用前面板缩放和平移控制功能。

图2. 浏览I2C总线的长采集数据。

播放/ 暂停

        在调试问题时，您经常不知道是什么导致了问题，因此不确定在采集的波形中找什么。但是，您知道自己已经捕获了包含问题的窗口，现在需要查看捕获的数据，看是否能够找到问题。在大多数现代示波器上，这也需要无数次旋转水平位置旋钮，在采集的波形中检测任何杂散活动。Wave Inspector也可以帮助完成这一工作。您可以简单地按前面板上的Play (播放) 按钮，让缩放窗口自动在波形上平移。播放速度和方向使用直观的平移控制功能调节。平移控制旋转得越远，波形播放速度越快。它还支持免提播放，因此可以把精力放在重要项目- 波形本身上。在I2C实例 (图2) 中，您可以播放波形，同时查看解码后的地址和数据，监测总线上的活动。在确定找到的事件时，只需再按Play/Pause (播放/ 暂停)按钮，就可以停止波形。

                   图2A. 专门的前面板控制功能，自动播放波形。

标记

        在查找问题根源时，您可以找到各种波形区域，这些区域需要进一步考察，或指明在您希望使用的、作为其余分析参考点的被测设备中发生了某种情况。例如，假设您需要对进行相关定时测量，确定从司机在司机车门仪表板上按下摇车窗开关开始到车窗实际开始移动之间的时延。您希望在采集中找到的第一个事件是按开关时。下一个事件可能是司机侧门中的CAN 模块向车门中的CAN 模块发送命令时。最后的事件可能是马达激励车门，车窗开始移动。标记波形上的每个位置，以便能够迅速在定时测量感兴趣的区域之间来回跳转，不是要更好吗？通过DPO4000 系列，您可以做到这一点。在图3 中，通道1 是司机车门中的开关输出，通道2 是CANbus，通道3 监测车门中的马达驱动。

                    图3. 把标记放在波形上，协助测量CANbus 上的时延。

        通过指定适当的标识符和数据，我们已经把示波器设置成触发感兴趣的分组。然后，我们使用了前面板上的Set / Clear Mark (设置/清除标记) 按钮，标记波形上的每个感兴趣事件。这些用户标记沿着顶边在上方窗口和下方窗口中作为实心白三角形显示。通道1上的上升沿表明开关按下时的情况。触发事件是司机车门中的CAN模块发出命令，车窗开始移动是通道3 上的瞬变。通过使用前面板Previous (上一个) 和Next (下一个) 按钮，我们可以立即在标记之间跳转，以放置光标，迅速简便地测量时延。在图3 中，我们发现，从按开关到车窗移动的总时间是58.8ms，完全位于可以接受的延迟范围内。

搜索和标记

        除把标记手动放在波形上以外，Wave Inspector还可以搜索整个采集，每次发生用户指定的事件时自动进行标记。例如，想象一下您正在捕获激光器脉冲。激光器大约每隔20 ?s 发射一次，每个脉冲仅宽15 ns。您想查看多个脉冲，检定脉冲波形，在脉冲之间进行精确的定时测量，但为了在脉冲之间导航，您需要有近20 ?s 的停滞时间。然后，您需要对采集中的每个其它脉冲重复这一测量。很明显，最好能够立即从一个脉冲移到另一个脉冲，而不必浪费时间“不停地转”位置旋钮。

图3A. Wave Inspector 强大的搜索功能可以找到采集中每次发生的、用户指定的事件。

                       图4. DPO4000 系列标记长采集中越过300mV 的每个脉冲。

        图4 是查找越过300mV 门限的上升沿非常简单的搜索设置图。搜索生成的标记沿着顶边在上方窗口和下方窗口中显示为空心白三角形。这一搜索得到放在整个记录中的105个标记。现在，您只需按前面板上的上一个按钮和下一个按钮，就可以从一个脉冲跳到下一个脉冲，而不需调节缩放标度或位置！

                       图5. 找到的六次发生建立时间和保持时间超限搜索结果。

        但是，Wave Inspector的搜索功能远远超出了简单的边沿搜索。想象一下您处理的芯片有不确定的输出，其非常频繁，导致了整个系统瘫痪。您怀疑这是建立时间和保持时间超限引起的亚稳定问题。您只需几秒钟的时间，就可以指定搜索标准，让示波器在采集中自动找到每次发生指定的建立时间和保持时间超限。在这种情况下，我们使用的部件公开的建立时间和保持时间分别是12 ns 和6 ns。为使示波器自动找到这些超限，我们只需告诉它时钟在通道1上，数据在通道2上，设置门限，输入希望的建立时间和保持时间。然后示波器检查整个采集中相对于每个时钟边沿的定时，标明指定建立时间和保持时间超限发生。在图5 中，我们搜索得到六次超限。六个事件在上方窗口中标上空心的白三角号。下方的窗口显示了其中一个超限的放大图。可以清楚地看到，数据线上的窄负脉冲超出了12 ns 建立时间。

        我们已经找到亚稳态来源，而不必手动滚动通过波形，也不必使用光标测量任何东西。您甚至可以调节建立时间和保持时间，查看Wave Inspector 找到多少个事件，进行最坏情况检查。例如，您可以把保持时间设为零，然后降低建立时间，直到只找到一个事件。Wave Inspector提供的另一个强大的搜索功能是总线搜索。通过安装选装的DPO4EMBD 和DPO4AUTO 应用模块，您可以使用前面板B1和B2按钮，把输入组合定义为I2C、SPI 或CAN 串行总线。一旦设置，您可以触发用户指定的分组级内容，让示波器把采集中的每个分组自动解码成二进制或十六进制。

                      图6. 搜索CAN消息中的特定Identifier 和Data 值。

        这种触发对隔离包含问题的时间窗口至关重要，而更可能的是您需要查看多个分组上的总线行为，了解系统级发生的情况。总线搜索功能可以指定分组级指标，在每次发生时进行记录，进而迅速进行查看、导航和分析。仍以前面的CAN实例为例，在图6中，我们使用我们感兴趣的特定Identifier (549) 和Data (A1) 值，在CANbus长采集数据中搜索每个消息。

                                                 表1. 搜索事件。

        Wave Inspector在采集中找到有四条消息满足标准。把缩放窗口从发生的一条消息移到另一条消息上，只需在前面板上按上一个按钮和下一个按钮。由于示波器为您解码分组，您可以立即看到所有相关信息，而不必从模拟波形中手动解码。除上面的实例外，DPO4000 系列还可以搜索许多其它类型的事件。表1列明了完整的搜索功能清单。

        多次搜索这时一个明显的问题是“如果我想执行另一项搜索，但不想丢失第一次搜索的结果(标记)，那么该怎么办呢？”只需选择Save All Marks 菜单选项，就可以看到空心白三角形搜索标记变成实心，与放在前面板Set Mark 按钮上的标记相同。这些标记现在保存在波形上，然后可以执行新的搜索。可以多次进行这一操作，有效创建无限的搜索能力。当然，如果想从清空状态开始，可以按Clear All Marks 按钮，从波形中清除所有标记，也可以使用Set/Clear Mark 前面板按钮，删除任何一个标记。

搜索与触发交互

        Search 菜单中还包括另外两个强大的、节约时间的功能：能够把触发设置复制到搜索中，及把搜索设定值复制到触发中。在希望搜索采集结果，查看捕获的数据中是否有其它触发事件发生时，可以把当前触发设定值复制到搜索菜单中。而当已经在数据中发现事件，想使用该事件作为触发标准重新采集新数据时，则可以把搜索设定值复制到触发菜单中。

                                                     图7. 搜索侧面菜单。

总结

        现代数字示波器可以捕获海量数据，这既是好事，也是坏事。您想要所有数据，正因如此，您需要使用示波器。但直到现在，在庞大的数据中找到所需的数据不亚于大海捞针，是一个非常耗时麻烦的过程。配有Wave Inspector的DPO4000系列为您提供了所需的功能，可以高效地满足您的需求，而这种效率是以前的示波器所不能想象的。