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【技术分享】示波器程控实现多通道高速波形采集与分析

  时间: 2019-08-07      644    

自上世纪70年代推出GPIB总线系统以来,极大地推动了自动测试技术的发展,随着计算机技术的突飞猛进以及与智能仪器的日益融合,在测试仪器领域出现了多种体系结构的系统,如PC-Base板卡、VXI、PXI等,其中以VXI的性能指标最高,因而得到迅速发展。但是目前由于VXI仪器及机箱价格居高不下,并且系统性能很大程度上受软件开发水平制约,因此没有能够像期望的那样迅速普及开来。

目前,在国内还是以GPIB台式仪器占大多数,通过与PC机组成自动测试/测量系统可大大提高测试工作的效率、质量和测试仪器的应用水平,但大多以单台仪器与PC相连的系统居多。然而在有些测试任务中,需要同时采集几十路瞬态信号波形,我们用16台数字示波器与PC机相连,开发了多通道高速波形采集与分析系统。

系统概述

在精密物理实验中,需要精确知道试样在冲击波作用下的热力学状态,这就需要测量冲击波到达试样特定位置上的时间,这些时间的测量要求到亚纳秒的分辨率和精确度;此外,还要了解冲击波作用下试样材料中的物理、化学过程,这就需要时间分辨的波剖面测量。因此,系统设计指标为:

① 系统可同时采集64路(可扩展)高速瞬态信号;

② 同步触发误差0.2ns;

③ 时间间隔测量(任两通道之间)的标准不确定度0.5ns;

④ 系统最高采样率5/10GSa/s(64路同时);垂直分辨率8bit;

⑤ 能同时显示、回放任意通道信号波形,以便比较;

⑥ 波形数据能以文件形式保存并以数据库方式进行管理;

⑦ 系统可调用用户专用数据处理、分析程序。

多通道高速波形采集及分析系统组成框图.png 

多通道高速波形采集及分析系统组成框图

系统硬件组成

根据测试任务及设计要求,我们选择了Dell XPS T700计算机作为主控机,内插2块NI-488.2 GPIB PCI接口卡,采用了16台泰克公司的TDS694或684数字示波器进行波形采集,用专用GPIB电缆相互连接。为便于系统集成,示波器置于三台HP仪器框中,这样也可以缩短设备间的GPIB电缆和信号电缆长度,同时同步触发信号分配器、分布式高速脉冲形成网络源等相关设备均固定在机柜背面并与DSO相对应。

同步触发信号分配器

对于多通道的波形采集系统而言,必须精确知道各通道记录波形的相互定时或相位关系,这就需要测试系统有精确热同步采集能力。在本系统中,设计的同步精确度好于0.2ns,精确同步是本系统研发的难点和关键之一。因为即使在VXI的系统总线中专门增加了星形触发线来实现同步采集,但其精度也只有几个纳秒,远不能满足要求。对于16台TDS694 DSO组成的GPIB系统,我们采用了多路同步触发信号分配器的方案,用一个内阻很低的脉冲电压信号源作为触发信号,送入分配器分送出稳定的同步触发信号,再分别接到各TDS694 DSO背板上的AUX外触发输入端来触发每一台DSO。将每路同步信号相对于触发信号的固有时滞(Timing skew)和抖晃(Timing jitter)以及同步信号和该台DSO每通道的固有时滞和抖晃均做了精准校准,并对测量结果进行修正,以保证经两路信号间的定时不确定度好于0.2ns。同步触发信号分配器的指标:任一路输出脉冲幅度为15V,上升时间为5ns,脉宽100ns,分配器与DSO的连接结构为星形结构。

分布式网络信号源

在实验中需要测量冲击波到达的时间,测点可达几十个点。采用了短路式电探针或PZT压电探针作为冲击波到达时间传感器,其响应时间均为1ns左右。其中探针信号是由网络信号源提供偏压并形成一定规格的脉冲信号,为了提高时间测量精度,在网络源设计上采用了高速信道与慢速信道、偏压线路分离的方案,保证高速信号的路径最短和极好的一致性,任一路脉冲信号的前沿为1ns,幅度大于40V,脉宽100ns。

系统软件结构

本系统采用了VB6.0进行程序下开发,采用了结构化编程方法。分联机、采集参数设置、数据传输和保存、波形显示和测量、数据处理与分析、结果打印等公用子模块。

系统软件结构.png

联机模块可自动查找连接在GPIB总线上并事先定义好地址的GPIB设备(DSO),定义了联机状态指针数组以表示某个编号的DSO是否已联机成功。然后对联机成功的DSO进行采集参数设置,包括垂直、水平及触发、显示等几十种DSO预置参数,软件即可对每台设备单独设置和控制,也可用“批发送”功能把相同的设置命令集同时发送给所有的DSO,并且所有设置参数及对应的示波器编号均以Access数据库的形式保存及管理,以备将来查询各仪器的设置状态或重复调用。实际上在此功能的基础上可实现全系统的个性化,使多个测试任务互不影响,迅速快捷地设置本任务的系统采集状态。考虑到系统应有一定的通用性,联机模块还可自动正确识别泰克公司的TDS600、TDS700系列所有DSO。此外,联机后为防止他人对DSO的误操作,对每一台DSO的前面板进行了锁定,必要时可解除锁定状态。

为了尽可能地减少人为干预系统工作和减少失误,利用定时控件使主控PC机每隔一秒钟去查询DSO触发状态。一旦触发,立即发送传输命令,将采集到的信号数据传送到PC机存盘。为了加快传输速度,采用了二进制码传输,并实时译为十进制数据,以时间—幅度的双列数据文本文件保存。从采集—传输—存盘—译码—存盘的整个过程仅需时90s,这大大提高了测试工作的效率和可靠性,而在建立GPIB系统之前采用手工存盘处理要花费1个多小时的时间。

波形显示和测量模块可对任意波形进行实时显示、重放、局部放大及简单波形参数测量。处理程序可对信号波形的特征信息自动判读以及有效信息的压缩处理,并对中间数据结果进行统计分析,如插值、线性拟合、多元逐步回归分析等,统计最终结果用Origin6.0绘制成三维图。


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