示波器模板测试功能在捕获偶发错误中的应用

在日常的电路测试工作中，由于各种原因，所造成的电路中偶发错误的捕获及测量通常是一个难点。其难点通常在于：

•  偶发错误，出现的概率低，示波器由于存在一定的死区时间，无法捕获到异常信号；
•  偶发错误出现的时间和幅度不确定，不清楚如何设置触发条件进行捕获；
•  偶发错误信号如何进行准确，快速的进行测量。

针对第1和第2个难点，需要示波器具有高波形捕获率，同时需要有更灵活的触发方式对发现的信号进行捕获。针对第3个难点，需要示波器有良好的操作界面，快速准确的测量功能。

本文以使用R&S RTO1044示波器测试电路中偶发干扰信号为例，简要总结了偶发信号捕获及干扰的方法。

被测电路上电后，按下Autoset，触发方式为上升沿触发，模式为Auto，示波器显示波形如图1所示，可以看到是220V/50Hz的标准交流电波形（使用高压探头100：1衰减）。波形稳定显示，未观察到有干扰信号。

图1 电路上电后示波器显示波形

为准确的观察是否有干扰信号的存在，打开示波器的余晖功能，波形显示如图2。余晖功能是累积显示示波器所捕获到的历史所有波形，波形亮度的深浅代表了波形出现的数量。可以清楚地看到在正弦波波谷位置附近出现了毛刺干扰信号。

图2 示波器余晖功能显示波形

在这一过程中，很多工程师会忽略示波器的另一重要指标：波形捕获率。波形捕获率，顾名思义，表示示波器每秒钟捕获波形的数量，并显示在示波器的屏幕上。现代数字示波器信号处理的流程如图3所示。肉眼看到示波器的波形一直在变化，而事实上，两次显示在屏幕中的波形之间，有大量的满足触发条件的信号都“漏失”了，即并没有显示在屏幕上。数据采集过程和显示处理过程。数据采集过程通过ADC芯片实现，速度很快。而瓶颈在于“后台处理数据—〉屏幕显示”这一过程。R&S RTO 示波器具有每秒100万的波形捕获率，极大的缩短了示波器的显示处理时间，被“漏失”的波形大大减少。

图3 现代数字示波器信号处理过程

观察到了被测电路中有毛刺信号，那么接下来希望能够稳定的捕获到它进而进行观察，测量。通过单步触发“RunSingle”的方式以及图1所示的波形，可以看到这个毛刺信号是偶发的，并不是始终“伴随”着正弦波。当然仍然可以使用“RunSingle”的方式，但是对于偶发概率很低的异常干扰，会大大浪费时间，效率低下。其实，完全可以借助RTO的模板测试功能（即 Mask Testing），在屏幕中手动绘制一个模板区域（即违规区域），当波形触碰到这个区域的时候，可以使示波器停止运行即“Stop”，快速的捕获到异常信号，进行测量，保存波形等一系列操作。那么，针对图3通过余晖功能观察到的毛刺位置和幅度，可以简单的在毛刺位置绘制一个违规区域，进行捕获。但是针对更普遍的情况，例如当电路长时间运行，干扰出现的形式（即时间，幅度，宽度）等都不确定的情况下，手动绘制违规区域着实令人头痛，那么可以使用RTO示波器的“以波形为参考的模板设置”功能，设置方式如图4所示，在Mask Definition中选择“Waveform”，Source中选择参考波形的通道，点击“Copy to”，此时屏幕中可以看到正常信号正弦波意外的所有区域都被设置成了违规区域，那么考虑到正常信号受噪声影响而造成的一定程度的波动，调节“Horizontal Width”he “Vertical Width”两个参数，预留出小部分的“余地”。[page]

 图4 以波形为参考的模板设置方法

设置OK后，如图5所示，可以看到正弦波信号的周围区域已经都被设置为违规区域。那么，一旦有任何毛刺干扰信号，无论出现在任何位置，只要造成原始正弦波信号产生畸变，都能够被捕获下来

 图5 以波形为参考的模板

然后，将干扰信号的部分放大观察，打开光标测量，如图6所示，可以看到干扰脉冲的负脉冲宽度约200us。而事实上，从该项目测试指导文档中说明的是，干扰脉冲的负脉冲宽度约在10us左右。问题出现了，干扰信号捕获到了，可是脉宽的测量与指导说明不符合，为什么？

图6 脉冲光标测量

其实仔细观察，原因比较简单，“时刻警惕采样率”。由于一般情况下，示波器默认情况下是固定了存储深度（1K），按下Autoset之后，由于被测信号正弦波的周期较大（50Hz），当调整时基时，随着采样时间的增大，示波器会降低采样率至当前只有10KHz。10KHz的采样率对于无失真恢复50Hz的正弦波没有问题，可是对于包含有高频分量的窄脉冲信号，显然是不够的，因此造成了失真，脉宽展宽。

因此，建议的操作方法是首先固定采样率，保证采样率能够在信号的上升沿捕获至少5个点，然后调整时基，充分利用示波器的存储深度。设置的方法如图7所示，调整采样率至500M/s，再调整捕获信号的时间长度为约100ms。

图7 固定采样率设置

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此时，再将毛刺部分放大进行测量，如图8所示，可以看到毛刺的负脉冲宽度只有约11us，与测试指导说明相吻合。

图8 固定采样率之后放大毛刺

到此为止，已经可以准确地了解到电路中干扰信号的特征，负脉宽约11us，正脉宽稍大一些。RTO1044能够捕获最小脉冲宽度为50ps的信号，因此为了稳定的能够捕获到干扰信号，可以通过设置示波器的触发方式为width（脉冲宽度），如图9所示，设置为正脉宽触发，宽度设置为14us±5us，触发模式改为Normal，只捕获有干扰的信号。由于水平时基比较大，毛刺信号的宽度很小，为避免屏幕的栅格线遮挡住毛刺信号，可以去掉栅格线，如图10所示。

图9 脉冲宽度触发设置

图10  屏幕显示栅格线设置

在图11可以看到，示波器可以稳定的捕获干扰信号，触发点稳定的保持在正脉冲干扰的结束。RTO1044示波器同时提供了丰富的参数快速测量功能，最多能够同时测试100个参数值。打开Measure功能，设置测量负脉冲宽度（Neg Pulse），那么示波器可以自动的测量出参数值，当前测量为10.008us，与光标测量方式相比，快速而有准确。

图11 脉冲宽度出发捕获干扰信号

总结：

•  RTO示波器的波形捕获率最高可以达到100万/秒，因此对捕获偶发异常信号有很大的帮助；
•  丰富的测量功能，能够快速，准确地对参数进行测量；
•  时刻警惕采样率，避免由于采样率过低而造成波形失真，最终导致测量结果错误；
基本的准侧：在被测信号的上升沿应至少要保证有5个采样点；
•  利用RTO示波器的模板测试功能，快速捕获偶发异常信号，操作的思路建议：
打开余辉查看异常信号——〉设置模板，定义违规区域——〉观察异常信号特征——〉设置触发方式及触发模式，稳定的捕获偶发异常信号——〉根据需要进行参数测量。