利用FastFrame分段存储技术改善数据捕获质量

高速数字技术在开启新的技术可能及实现广泛创新的同时，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，首当其冲的是偶发性或间歇性的事件，如激光脉冲或亚稳定性。这些事件很难识别和检定，要求测试测量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，我们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；采样率越高，仪器存储器填充速度越快，数据采集的时间窗口越小。相反，在长时间周期内捕获数据一般需要以降低水平分辨率(采样率)为代价。

　　由于当前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息质量，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。幸运的是，泰克采用FastFrame分段存储技术的高级示波器同时改善了存储使用效率和数据采集质量，消除了这种矛盾。

　　利用记录长度优势

　　考虑一下图1中所示的单个脉冲。它是在泰克DPO7254数字荧光示波器上以20GS/s的采样率在1000点波形中采集的。在这一采样率下，可以看到大部分波形细节。

　　但是，如果您想查看多个连续脉冲，那么必须拉长采集的时间窗口。为适应仪器提供的存储容量，必须降低采样率或拉长时间窗口的记录长度。当然，降低采样率本身会降低水平分辨率。

　　您也可以扩大记录长度，在不降低采样率的情况下拉长采集时间窗口。但是，这种方法有其局限性。尽管存储技术不断进步，但高速采集存储器仍是一种宝贵的资源，而且很难辨别多少存储容量才足够。即使有人认为记录长度很长，但您可能仍不能捕获最后的、可能是最关键的事件。

　　从图2中可以看出，时间窗口扩展了10倍，可以捕获更多的连续脉冲。其实现方式是提高屏幕上显示的格线的每个格，提高记录长度，同时保持采样率不变。这种更大的采集带来了某些缺点：大量的采集提高了NVRAM和硬盘的存储要求；大量的采集影响着I/O传送速率(即GPIB吞吐量)；更多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，因此采集之间的不活动时间周期或“死区时间”增长了，导致更新速率下降。考虑到这些矛盾，必须不断地平衡对高采样率的需求与每条通道提供的存储长度的不足之间的矛盾。

　　图1：以高分辨率捕获的单个脉冲。

　　图2：在长记录长度时以高分辨率捕获的多个脉冲。

　　分段存储结构

　　为解决这个问题，业内制订了许多策略。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，如采用FastFrame分段存储技术的泰克示波器，允许把提供的存储器分成一系列存储段，然后以所需的采样率使用触发采集填充每个存储段。

　　通过认真定义触发条件，这种技术可以只捕获感兴趣的波形或波形段，然后捕获的每个事件存储在自己编号的存储段中。可以按捕获顺序单独查看各个存储段或帧，或对多个存储段或帧分层，显示其类似程度和对比结果。

　　这种功能基本上允许扫描通过不想要的波形段，从而可以把重点放在感兴趣的信号上。图3说明了这种方法。通过使用DPO7254示波器中的FastFrame分段存储技术，它以图1所示的同样小的记录长度以20GS/s的采样率捕获脉冲。分段存储内容被重叠在一起，以便所有脉冲在屏幕上相互堆叠起来。

　　图3：通过使用泰克FastFrame分段存储技术，可以以高分辨率捕获多个脉冲。

　　这种方法的优点包括：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；捕获的脉冲之间没有死区时间，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，确定重叠的堆栈中是否会有“伸出”异常事件。

　　帧和帧长度与记录长度比较

　　泰克采用FastFrame分段存储技术的示波器允许把提供的采集存储器分成由几十万个样点组成的帧(存储段)。这种功能便于实现每秒400,000帧的突发触发速率(采集数量/秒)，相当于最大死区时间为2.5微秒，这一触发速率明显快于大多数其它示波器。

　　在激活时，FastFrame分段存储技术自动计算和选择适应您选定的帧数和每帧点数(帧长度)所需的记录长度。根据提供的仪器存储器，它计算帧数和帧长度之积，选择最近的记录长度，确定提供适合存储器的帧数。

　　您可以单独查看每个帧，也可以使用鼠标、虚拟键盘或仪器主控制台上的多功能旋钮选择多个帧号，滚动查看这些帧。在确定特定的感兴趣的帧时，您可以使用仪器功能，详细检定、测量、放大和分析波形。

　　为迅速查看波形公共形状中突出的异常事件，可以把多个帧重叠起来，显示公共点和偏离点。FastFrame分段存储技术中的“View Multiple Frames”选项使用颜色把选定数量的帧重叠起来，突出显示各个点相互重叠的频次。红色的点表示发生频次高，蓝色的点表示发生频次低。

　　平均/包络帧

　　FastFrame分段存储技术支持标准“Sample”采集模式及高级模式，包括“Peak Detect”、“Hi-Res”和“WfmDB”。“FastFrame. Setup”菜单中的选项在记录末尾为“Envelope”或“Average”模式提供了一个额外的帧。

　　这种“Summary”帧使用包络点(最大值和最小值)或选定数量帧的平均点绘制波形图表。

　　例如，在FastFrame分段存储技术使用“Average”模式，帧数为10时，示波器计算10个帧的平均值，在最后的帧或“Summary”帧中显示平均的波形。如果FastFrame分段存储技术使用“Envelope”模式，示波器会计算10个帧中所有波形的最大值和最小值，作为最后帧中的包络波形显示这些值。

　　采集的时戳

　　每个帧中的波形只能说明部分情况。每个帧的定时中也嵌入了重要信息。每个触发点都有定时信息，称为时戳(time stamp)。通过分析时戳，可以确定每个事件发生的时间以及事件之间的相对时间。

　　时间分辨率

　　该技术以非常高的分辨率捕获触发定时。通过时间内插方法，触发定时被解析成采样间隔非常小的部分。在高采样率下，这可能要低于1 ns。尽管这种分辨率对各个事件的时戳关系不大，但在测量多个事件之间的时间间隔时，其提供了非常强大的工具。

　　FastFrame用户界面

　　在启动FastFrame分段存储技术时，控制面板的第一部分或第一“栏”为定义和导航采集提供了基本选项。它可以控制打开和关闭FastFrame分段存储技术，允许选择帧长度和帧数。它还提供了选项，可以包括“Summary”帧(“Envelope”或“Average”)。

　　由于泰克示波器提供了很长的记录长度，因此FastFrame分段存储采集可能会生成几千个帧，在某些配置下可能会生成100万个以上的帧。第一栏菜单中的“Single Sequencing Mode Stop Condition”选项允许在最后的帧填充后停止采集，或通过手动按下示波器控制台上的“Run/Stop”采集按钮来停止采集。

　　FastFrame分段存储菜单的第二部分或“View”栏用来定义和控制怎样显示帧。它控制着：输入源，这将作为FastFrame分段存储采集的焦点；是从“Input”通道查看波形还是从“Math”通道查看波形，有还是没有“ReferenceWaveform”通道；以重叠方式查看多个帧。

　　FastFrame分段存储技术可能的输入源有数据“Input”通道、“Math”通道和示波器的“Reference Waveform”通道。在选择主来源时，应把重点放在被测设备潜在问题的特定方面。源通道可以是已知显示错误的信号，也可以切换到怀疑导致干扰的另一条通道上，来改变重点。在这两种情况下，都会查看源通道帧中的波形以及同一时段内其它通道的波形。

　　“Lock Frames Together”控制功能决定着在查看“Input”通道和“Math”通道时是否使用“Reference Waveform”通道类似的时段。例如，FastFrame分段存储技术总是一起显示“Input”通道的帧和“Math”通道的帧，因为根据数学定义，它们本身是联动的。但是，“Reference Waveform”可能会完全不同，因此工程师可能希望、也可能不希望与同一时段内的“Input”和“Math”通道一起查看“Reference Waveform”。FastFrame分段存储技术允许选择是否使“Input”和“Math”帧与“Reference Waveform”的类比视图联动。

　　“View”栏还控制着各个帧的显示及多个帧的重叠视图。如果多个帧重叠在一起，您可以重叠所有帧，也可以选择所需的帧序列，只重叠部分帧。您可能想从所有帧的任何地方选择一个参考帧，然后在上面重叠帧的一个子集。例如，如果选择的感兴趣的帧是第12号帧(帧总数为100)，您可以重叠、并把它与由从第13号帧开始另外20个帧组成的序列进行比较。参考帧可以是任何帧，但通常是采集中的第一个帧。

　　查找串行信号中的异常事件

　　由于串行通信协议的速度不断提高，设计和调试复杂系统正面临着更大的挑战。干扰通信电路的小型异常事件变得更加常见，查找和隔离起来比以前更加困难。

　　DPO7254的高采样率和长记录长度使其能够在足够长的时间内捕获大量的数据点，提高识别信号中难检异常事件的概率。通过使用“FastAcq”高速波形采集模式和FastFrame分段存储技术，该仪器可以迅速直观地提供用以进一步分析的波形线索。

　　通过FastFrame分段存储技术，可以捕获1000个信号帧，同时保持高采样率及合适的时间精度(时间/格)和记录长度设置。可以滚动查看各个帧，但对1000个帧来说，这一过程会非常耗时、非常麻烦。为加快帧的比较速度，所有帧的重叠画面会通过颜色编码显示发生频次。您可以迅速地一目了然地查看波形内部频繁的异常事件，确定需要进一步分析的区域。

　　通过使用“Analyze”上的“Frame. Finder”，您现在可以把目光集中在偶发(即蓝色)帧上，而从层中忽略其它帧，把分层的帧区分开来。这样只会剩下一个或几个帧需要进一步考察。可以在“Display Selected Frame”查看字段中指明任何一个帧。通过使用鼠标滚轮或仪器的多功能旋钮，比较选定帧与其它帧大大简化。还可以使用“Frame. Delta Calculator”在屏幕上简便地存取时戳数据，也可以保存整个时戳表，进行离线分析。

　　本文总结

　　在同时要求高采样率和长记录长度的应用中，增加更多的存储器并不总能解决问题。例如，在必须采集一系列偶发性或间歇性事件的环境中，泰克高级示波器中的FastFrame分段存储技术为只捕获必要的事件提供了理想的手段。通过选择采集存储器，为每个段提供触发和时戳，FastFrame分段存储技术优化了数据采集，可以更加智能地使用有限的存储资源。(泰克科技公司)