力科示波器在搜寻毛刺中的实现

　　示波器主要有五大功能：即对信号进行捕获，观察，测量，分析和存档。被测信号经过探头和前端放大器以及归一化后转换成ADC可以接受的电压范围，采样保持电路按固定的采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化为数字的采样点，这些数字的采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析。间歇性瞬态事件和毛刺是难解决的问题，特别是在不了解瞬态信号的特点时。力科示波器包括多种工具，可以帮助您捕获和定位这些讨厌的瞬态信号。本文将重点介绍毛刺搜寻技术。

　　排除触发

　　可以对周期性波形应用排除触发，如时钟信号。这些波形有标称的形状，不会呈现出任何规律性变化。大多数瞬态信号本身会表现为异常定时。排除触发的概念是测量信号的标称定时，在信号超出标称值范围时触发示波器。事实上，排除触发实际上"埋伏着等待"事件发生。您可以把排除触发与使用顺序模式采集实现的快速更新速率结合起来，以每秒高达160,000次的速率捕获间歇性异常信号。与其它老式技术相比，这可以大大提高查看信号问题的能力，因为老式技术虽然触发速度快，但捕获的主要是"正常"形状的信号。

　　图1: 使用参数测量确定排除触发极限。

　　图1中的方波是典型的周期性时钟波形。我们可以使用测量参数，如周期、宽度、频率或占空比，作为排除触发的基础。在本例中，我们选择了脉宽。我们使用参数统计测量脉宽，确定典型波形的值和值。在图1的实例中，标称脉宽是1.25 μs,值是1.248584 μs,值是1.251525 μs.从这些数据中，可以根据脉宽设置排除触发。如果输入脉宽超出范围1.24 - 1.26 μs,那么示波器将触发。

　　图2: 使用脉宽设置SMART Trigger排除触发。

　　在图2中，我们根据脉宽使用SMART Trigger设置触发。

　　如果脉宽小于1.24 μs或大于1.26 μs,那么示波器将触发。示波器采集中将排除宽度位于标称范围内的脉冲。图中采集的通道2曲线显示了宽度较窄的欠幅脉冲。

　　顺序模式采集把示波器的采集存储器分成多20,000个段。每个段采集扫描，示波器触发释抑所有与采集无关的函数，直到填充完所有段。这意味着示波器能够在采集之间实现的死区时间达到。即使在使用示波器的全部四条通道时，顺序模式下的更新速率仍可以高达每秒扫描160,000次。从采集开始直到填充顺序模式缓冲器，将一直保持这种采集速率。除快速更新速率外，示波器会在每次采集中打上时戳。这告诉用户触发事件之间的时间间隔。在使用排除触发时，顺序模式时戳告诉毛刺之间的时间。这些信息非常重要，因为它提供了与导致毛刺的现象有关的额外信息。图3显示了从Timebase对话框中控制的顺序模式设置。用户可以设置采集的段数。在本例中，每个顺序采集中有20个段。图3中的顺序模式采集显示为相邻的段。这只是从Display对话框中可以选择的五种顺序模式显示类型中的一种。图4以镶嵌格式显示了相同的数据，在一个由多达80个段组成的数组中，它显示了20个段。

　　图3: Timebase对话框中的顺序模式设置。

　　图4: 在镶嵌型画面中显示顺序波形。

　　Vertical下拉菜单中Channel Status选项下的顺序模式时戳同时提供了每个触发事件的时间和事件之间的相对时间，从图5中可以看到这些时间。在这个图中，瞬态事件之间的时间是0.65秒到2秒以上。

　　基于宽度、周期、频率或占空比等信号定时的排除触发为确定毛刺和其它异常信号提供了快捷的方式。如前所述，它只能应用到周期性波形上，如时钟。对比较通用的波形类型，可以结合使用Track数学函数和长存储器，捕获、定位和分离波形毛刺。

　　参数追踪函数

　　数学追踪函数创建一个波形，显示在时间上与源波形同步的参数值历史。图6显示了脉宽的追踪函数（下面的曲线）及源波形。追踪波形的垂直标度是脉宽，单位为ns.注意，追踪幅度变化在时间上与源波形变化同步。

　　可以从示波器140多个参数的任何一个参数中创建追踪函数。

　　图5: 触发时戳画面，显示瞬态事件之间的时间。

　　使用追踪函数的方式是把它应用到长记录中，使用追踪函数找到异常波形或毛刺。

　　图6: 脉宽追踪函数及其源波形实例。

　　图7: 使用追踪函数定位长数据记录中的毛刺。

　　在图7中，下面的曲线是宽度追踪图。垂直尖峰表示宽度值较低。尖峰的位置在时间上与数据记录中发生的窄毛刺相关。由于记录中有326,000个脉冲，因此能够定位单个异常波形是一个明确的优势。如果我们为通道2创建一条缩放曲线，使用Multi-Zoom在追踪的尖峰周围扩展，我们可以看到瞬态信号。图8显示了这一过程。

　　毛刺是电路设计中常用词。数字电路中常将毛刺定义为采样间越过逻辑门限以上的任何跳变，主要是指电路输出波形中含有时间很短有规律或没有规律的脉冲而又对设计没有用处或产生其他影响，一般都要考虑去除毛刺。通常可以通过加某些元件（如电容滤波）或者改变电路设计实现消除毛刺。信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺".如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在"冒险".（与分立元件不同，由于PLD内部不存在寄生电容电感，这些毛刺将被完整的保留并向下传递，因此毛刺现象赑LD、FPGA设计中尤为突出）在本例中，我们把测试条件Q1设置为脉宽小于等于1.24 μs时为真。我们把测试条件Q2设置为在脉宽大于等于1.26 μs时为真。如图9所示，在脉宽超出范围1.24 - 1.26 μs时，实际测试会停止。在启动通过/失败测试时，示波器将运行，而不必监测数据采集。它将自动记录满足测试标准的所有毛刺。根据参数极限、双极限或模板，多可以使用8个测试条件。这些测试条件可以采用各种逻辑组合，实现非常强大的功能。

　　图8: 使用Multi-Zoom定位和分离毛刺。

　　直方图

　　在质量管理中，如何预测并监控产品质量状况？如何对质量波动进行分析？直方图就是一目了然地把这些问题图表化处理的工具。它通过对收集到的貌似无序的数据进行处理，来反映产品质量的分布情况，判断和预测产品质量及不合格率。 直方图又称质量分布图，柱状图，它是表示资料变化情况的一种主要工具。用直方图可以的资料，解析出规则性，比较直观地看出产品质量特性的分布状态，对於资分布状况一目了然，便於判断其总体质量分布情况。

　　被测参数的直方图提供了"毛刺"现象的统计视图。直方图可以提供与毛刺发生数量、大小和频率有关的信息。在图10中，我们使用脉宽的直方图，分析采集的所有脉冲的宽度。我们使用相同的通过/失败标准（1.24 μs<宽度< 1.26 μs）。我们设置了直方图专用参数，获得中间值、标准偏差、范围及发生频率的宽度值（X@Peak）。

　　图9: 通过/失败测试操作对话框概括了测试条件。

　　图10: 直方图、通过/失败测试和顺序模式相结合。

　　我们还使用顺序模式采集，改善测量更新速率。由于顺序模式在采集过程中触发释抑所有不重要的操作，因此它可以大大提高示波器的更新速率。采集（扫描）时间越长、段数越多，得到的更新速率一般会越快。其主要缺点是存储长度较短（因为每个顺序模式采集都只使用部分总存储容量），在某些情况下会导致采样率较低。这些设置要求某些折衷，在进行测量时，每个用户都要权衡这些折衷。需要注意的是，在使用通过/失败测试时，可以自动实现毛刺捕捉过程，用户可以在设置完成后做别的事，而由示波器全面存档捕获的毛刺。

　　眼图

　　眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称 为 "眼图".从"眼图"上可 以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。

　　在测量串行数据波形时，传统毛刺捕获程序是眼图。不管直接从符号时钟直接触发还是从数据流中导出时钟，眼图都为使用余辉显示查看多个数据跳变提供了一种非常简单的方式。可以使用基于模板和/或参数的通过/失败测试，评估信号保真度。图11是使用力科SDA6000串行数据分析仪得到的典型的基于模板的眼图测试结果。这种模板测试自动定位和显示违返模板的位。所有力科数字示波器都可以创建和测试眼图。SDM串行数据模板测试等选件则可以在大多数示波器中提供眼图测试设置和操作功能。

　　图11: 3.125 GB/s串行数据流模板测试，显示了模板违规错误及导致错误的串行位。

　　我们已经介绍了使用力科示波器检测、定位和分离毛刺和其它瞬态事件的多种方法。如果您还有什么问题，请与力科当地销售办事联系，与我们的应用工程师讨论您的毛刺检测需要。