数字化仪采集模式

ABA模式(双时基采样模式)

ABA 模式是一种双时基采集模式,是由触发事件(B 时基)时的快速采集与触发之间的慢速采样率(A 时基)结合组成。ABA 模式的工作原理类似于结合了快速数字化仪的慢速数据记录仪。触发事件的确切位置可以和多轨记录模式一样通过时间戳进行标记。

ABA 模式在触发信号之间使用低采样率来采集信号,而在触发事件发生时会使用更快的采样率以更高的时间分辨率显示触发期间的信号。这种方法不像多轨记录或门控模式那样可以更有效地使用内存,但它确实提供了触发信号之间的连续视图。使用时间戳功能,可以使慢速采样和快速采样之间的单个样本的分辨率进行同步。

ABA模式的优势
  • 与单次采集相比,多轨采样模式和门控模式下的重新准备或触发“死区时间”将大大减少。较短的触发重启时间意味着即使在高事件发生率的应用中,您也可以减少错过某个事件的几率。
  • 通过对缓存进行分段,可以仅当信号处于活动状态时(由门信号控制)以全速采样率来采集记录数据,这样可以更有效地使用缓存。
  • 只存储重要的信号而没有中间的“死区”时间,使得传输的数据量减少,并且可以进行连续数据采集和分段信号的处理。
  • 每个触发事件的时间戳允许用户读取不同触发事件之间的时间差。当信号中出现异常时,时间戳可以提供有关异常发生率的信息。
  • 时间戳可以与外部参考信号(例如无线电时钟或 IRIG-B 定时发生器)同步,以获取每个事件的 UTC 同步时间戳信息。
  • 慢速采集的 A 数据可以是您对数据更容易分析,而不会像使用 FIFO(流)模式时产生巨大的数据量。
举例-双时基超声波脉冲串采集示例

如果需要获取的数据段之间只有一部分是重要数据时,则应采用 ABA 模式,如下图所示。在这种模式下,数字化仪使用两种不同的采样率对数据进行记录。ABA 模式下,每个输入端都有两个数据通道。重要数据的通道称为B通道,包含每次检测到触发信号时,通过多轨采集采集到的一个数据段。B通道的采集可以以设定的采样率运行。第二个数据通道称为A通道,以分频采样时钟连续运行,并获取较慢的连续信号。A 和 B 数据之间的时间同步基于获取的时间戳。采集后的数据显示是显示在整个运行时间内使用慢速 A 采样时钟进行完整采集,同时在每个触发事件中生成 B数据段。

下图中最上方的轨迹是显示整个采集过程的预览。中间显示是以设定的采样率(B 采样时钟)记录的单个数据段。时间戳显示触发时间。下面的轨迹是以设定的采样率的1/16进行采样的连续“A”数据。

请注意,在仅使用多轨模式记录时,连续记录显示的脉冲之间的信息并不明显。

 

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门控采样-Gated Sampling

门控采样模式是使用门控(启用)信号的状态来启动和停止采样过程,该信号可以是另一个通道的信号也可以是外部触发输入信号。数据仅在门控信号处于活动状态时写入内存。和使用多轨记录模式一样,用户可以对门控信号的触发前和触发后的时间进行编程控制。在门控模式下,时间戳标记门的打开和关闭,不包括门前和门后采集间隔。获取的门段数量受获取内存的限制,在使用 FIFO 模式时仅受主机内存的限制。

与多个触发相关的重要数据存储在连续段的采集存储器中,不记录与触发事件之间死区时间相关的数据。每个触发事件都有时间戳,因此每个触发的精确位置是已知的。时间戳存储在位于板卡硬件上单独的FIFO 存储器中。如果需要,它可以像数据一样被读出。

 

门控采样模式的优点

  • 与单次采集相比,多轨采样模式和门控模式下的重新准备或触发“死区时间”将大大减少。较短的触发重启时间意味着即使在高事件发生率的应用中,您也可以减少错过某个事件的几率。
  • 通过对缓存进行分段,可以仅当信号处于活动状态时(由门控信号控制)以全速采样率来采集记录数据,这样可以更有效地使用缓存。
  • 只存储重要的信号而没有中间的“死区”时间,使得传输的数据量减少,并且可以进行连续数据采集和分段信号的处理。
  • 每个触发事件的时间戳允许用户读取不同触发事件之间的时间差。当信号中出现异常时,时间戳可以提供有关异常发生率的信息。
  • 时间戳可以与外部参考信号(例如无线电时钟或 IRIG-B 定时发生器)同步,以获取每个事件的 UTC 同步时间戳信息。

举例-门控采样采集示例

下图提供了一个与模拟激光信号一起使用的门控采集示例。门信号标志着激光被触发。门控信号输入到数字化仪的通道2中并将该通道设置为触发源。触发阈值电平设置为 150 mV。显示区域的采集结果包括了激光脉冲信号以及门控信号。请注意,Pre-Gate和Post-Gate的128 个样本也将添加到门控信号中。当使用门控采集模式时,时间戳与门的开始和停止边缘相关联。这可以在段的缩放视图中看到。段持续时间等于门时间加上Pre-Gate和Post-Gate区域的 128 个样本。

 

使用门控采集模式可以实现仅使用 8kS 的采集内存来捕获 18 个脉冲(总持续时间为 1.8 秒)。

 

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采样模式-多轨记录(Multiple Recording mode)

多轨记录模式允许以极短的重新准备时间记录多个触发事件。事件之间不需要重新启动硬件。板载内存空间被分成几个相同大小的段。如果有触发事件,它们中的每一个段都会记录数据。用户可以对每一个段中的触发前及触发后的时间进行编程。采集到的数据段的数量仅受所用内存的限制。如果使用 FIFO 模式时则不受限制。

与多个触发事件相关的重要数据都会存储在缓存的连续段中。与事件之间的死区时间相关的数据则不被记录。每个触发事件都有时间戳,因此每个触发的精确位置是已知的。时间戳存储在位于板卡硬件中单独的一个 FIFO 存储器中。如果需要的话,它也可以像数据一样被读出。

 
多轨记录模式的优点
  • 与单次采集相比,在多轨模式和门控模式下,重新准备或重新触发产生的“死区时间”将大大减少。较短的触发重新准备时间意味着即使在高采样率的应用中,可以减少错过事件的机会。
  • 仅当信号处于活动状态时,才会以全采样率记录数据,这样分段采集可以更有效地使用内存。
  • 只存储重要的测量事件而没有中间的“死区”时间会导致传输的数据更少,并允许连续数据采集和分段信号的处理。
  • 每个触发事件的时间戳可让您读取事件之间的时间差。当采集过程中信号出现异常时,时间戳提供有关异常发生率的信息。
  • 时间戳可以与外部参考信号(例如无线电时钟或 IRIG-B 定时发生器)同步,以获取每个事件的 UTC 同步时间戳信息。
举例说明

该示例介绍了对超声波测距仪的超声输出进行多轨记录模式的采集过程。该设备输出40 kHz脉冲突发信号,并通过检测收到回声所需的时间来确定距离。信号以15µs的间隔每5个为一组出现,数据处理需要在这些突发信号之间的 450ms“死区时间”中完成。声波信号是用一个带宽为100 kHz的麦克风进行采集的。图中左侧的设置显示了采集板卡的设置。每个段是32kS的长度,由1kS的预触发和31kS的后触发组成。采样率为 7.8 MS/s(图中未显示出)。上面的轨迹是整个采集过程的预览窗口,显示了多个突发信号和数据处理间隔。下面的轨迹是显示了其中五个段的缩放视图。每个段的开头都标有时间戳。中间的轨迹是采集过程中第一个突发信号的缩放视图。您可以在此处查看单个突发的详细信息。因为数据实际上存储在内存中,所以在软件中可以对此数据显示连续的段,但通常情况下,包含测量间距的视图会更直观一些。通过仅存储与每个触发事件相关的数据段,数字化仪减少了在记录每个死区时间事件时产生的超过3.5MSamples (MS) 的数据。

 
重新准备时间(死区时间)

重新准备时间是一段采集结束与下一段采集可能开始之间的死区时间。在此死区时间内,数据采集卡无法检测到触发,潜在一些时间将丢失。较短的死区时间是此模式的一个关键特性。其它品牌的产品死区时间可能高达几毫秒甚至几毫秒,但 虹科Spectrum 板卡卡的死区时间很短,这和样本的数量和采样率直接相关。 

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重启时间 Re-Arm Time

重启时间是一段采集结束与下一段采集开始之间的死区时间。在此死区时间内,数据采集卡无法检测到触发时间,潜在事件将丢失。同行产品的死区时间可能高达几毫秒甚至几毫秒,但 虹科Spectrum板卡的死区时间很短,与样本点数量和采样率直接相关。

 
重启时间举例

在一个段结束和为下一次采集重启好触发之间有一个非常短的重启时间。如图是一个周期为 88 ns的正弦波。它是在多轨记录模式下采集的。所有10个段的时间戳都显示了88 ns的差异,即正弦周期。这意味着没有丢失 88 ns 正弦周期。请记住,重启时间是采样周期和预触发延迟相互作用的。更新速率是11.36MHz(88ns的倒数)。

 
不同平台下的重启时间:

重启时间取决于硬件使用的不同平台,一般是由样本点点数进行表示。重启时间涉及的固定数量的样本点点始终与当前使用的样本点时钟有关。例如,当以 10 MS/s(每秒 10,000,000 个样本点)采集数据时,4个样本点的重启时间对应于 400 ns,而在以 5 GS/s(每秒 5,000,000,000 个样本点)采集数据时,重启时间为 80 个样本点) 对应于 16 ns。

  • M4i、M4x 系列产品:重启时间:40 个样本点(12/14/16位分辨率)或 80 个样本点(8位分辨率)
  • M3i 系列:重启时间:32 个样本点(12/14/16位分辨率)或 64 个样本点(8位分辨率)
  • M2i 系列:重启时间:4 个样本点
  • MX 系列:重启时间是由产品型号和设置决定:< 20 个样本点
  • MC 系列:重启时间是由产品型号和设置决定:< 20 个样本点
  • MI 系列:重启时间是由产品型号和设置决定:< 20 个样本点
死区时间

死区时间是指一个段采集结束到下一次板卡预触发状态准备好开始采集时刻之间的时间。然而,在重死区时间过去之后,仍然需要有一段时间填充预触发区域,直到数字化仪检测到下一个触发事件。最小预触发时间和不同的板卡系列有关,您可以在具体板卡的datasheet中找到这个参数。

下图显示了不同时序和信号之间的关系:

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重复率 Repetition Rate

在为快速重复信号选择数字化仪之前,需要根据数字化仪规格计算是否有可能达到所需的重复率。计算这些数据需要了解信号源的重复率、数字化仪的指定死区时间、采样率以及最小段长度和数据段的步长。所有的这些数据(信号源的数据除外)都可以在数字化仪的数据表中找到。

 
死区时间如何影响重复率

死区时间(或重启时间)是触发器和数字化仪需要再次准备检测触发信号并为下一段采集做好准备的时间。 死区时间是由不同的分段采集模式决定,不同的采集模式如多轨记录(固定分段长度)、门控采样(由门控信号控制的可变分段长度)和 ABA 模式(具有两个时基的固定分段长度)。

下图显示了一个快速重复的脉冲信号,因为采集过程中段与段之间的死区时间足够小,所以每个脉冲都可以采集到。在死区时间内,数字化仪是“盲”的,无法识别触发事件。

在下图中,您可以看到由于死区时间太长,无法采集到这些快速的脉冲。当存在下一个触发并且未采集第二段数据时,数字化仪仍然是停止状态的。在这种情况下,信号源的重复率必须降低,或者数字化仪死区时间必须更短。虹科Spectrum所有的数字化仪上的死区时间都以样本点数量的像是给出。更高的采样率会自动导致更小的死区时间,而其他一些制造商将死区时间指定为固定时间数字。更高的采样率对可实现的信号源重复率没有影响。

如何计算重复率

要计算最大可能的重复率,需要两个数据:

  • 时间值的死区时间。根据采样率和死区时间中指定的样本数量计算得出。例如,4911-exp(10 MS/s 16 位数字化仪)的死区时间为4个样本,当以10 MS/s (100 ns)运行时,死区时间为 4 x 100 ns = 400 ns
  • 每个段的采集长度。这个由用户指定,并且必须与最小段长度和段长度步长的数字化仪设置相匹配。在我们的示例中,期望的段长度是 5 us(5 us / 100 ns = 50 个样本),因为该数字化仪的分段长度的步长为 4 个样本,所以向上取整为2μs(52个样本点)

将这两个数据进行简单计算: 1 /(死区时间 + 每个段的采集时间)即为最大重复率。在我们的示例中,这个数据为 1 / (400 ns + 5.2 us) = 178 kHz

 

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环形缓存采集 Ring Buffer Mode

环形缓存模式是所有数字化仪/示波器板卡的标准模式。在检测到触发信号之前,数据被写入板卡上的环形存储器中。仪器检测到触发事件后,开始记录后触发后的数据。由于这种连续记录到环形缓存中的模式,因此在触发事件之前的样本也是可见的:​​Pretrigger = Memsize – Posttrigger。使用环形缓存模式时,Pretrigger区域的长度可以是任意长度,最长可达编程的采集存储器总量。

 

优势

环形缓存模式的主要优点是无限的预触发能力。在此模式下,即使是完整的板载内存(除了可视的样本外)也可用于预触发的数据存储。

当需要通过编程语言对产品进行开发时,因为程序可以一步步运行,因此使用环形缓存模式是获取数据更简单的一种方法。

 

采集和读取数据并行处理

在检测到触发事件后,可以直接读取到目前为止所获得的数据。有了这个功能,数据可以更快地用于分析和进一步的计算。而同行其它品牌的板卡只允许在完全采集完成后才可以读取数据,虹科的数字化仪可以大大提高重复率。

 

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信号处理:块平均

Block Average块平均模块提高了嘈杂重复信号的保真度。可以以非常小的死区时间进行多次重复采集并对数据进行累积和平均。块平均的过程降低了随机噪声,提高了重复信号的可见度。

主要特点
  • 信号平均是在硬件中完成
  • 最大波形长度 128 kSamples(单通道)
  • 每秒超过 5,000,000 个波形的最大平均波形吞吐量
  • 所有通道均取平均值
  • 和同步完全兼容
  • 波形之间的低死区时间:500MS/s时为80 ns ;5GS/s时为 64 ns
  • 与 虹科Spectrum API 完全兼容,允许与 C/C++、Delphi、Basic、LabVIEW、MATLAB 等一起使用
  • 完全集成到 SBench 6 Professional 软件中
  • 适用于所有基于M4i 技术的高速数字化仪
  • 硬件中的快速数据计算过程极大地降低了所需的传输带宽
  • 这个数据处理过程可以在所有通道上同步运行

 

完整的数据平均过程是在数字化仪的 FPGA 内部完成的,根本不会产生 CPU 负载。数据量大大减少,所需的传输带宽也大大减少。信号处理固件还包括允许正常数字化仪操作而不受限制的标准固件。

 
举例-通过块平均功能改进后的嘈杂信号

如下截图显示了使用不同平均因子时完全被随机噪声覆盖的信号的改善情况。

虽然初始信号在原始单次信号中甚至不可见,但信号的 10 倍平均值已经表明存在具有 5 个峰值的信号。进行 1000 次的块平均可以极大地提高信号质量,向我们展示信号的真实形状,包括所有次要的最大和最小峰值。

该示例采用 500 MS/s (2 ns) 时基和 14位ADC分辨率,信号电平约为2 mV。

 

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信号处理:块统计(峰值检测)

块统计和峰值检测功能模块在硬件中实现数据分析和还原技术方面有广泛的应用。通过扫描每个数据块中的最小和最大峰值,并将包含最小值、最大值、平均值、时间戳和位置信息等汇总存储到缓存中。

 

主要特点
  • 峰值检测和统计功能均在板载 FPGA 中运行
  • 可以减少数据量,缩短到主机 PC 的传输时间
  • 无波形长度限制(最多可达板载存储器的大小)
  • 每秒超过 5,000,000 个波形的吞吐量
  • 在所有通道上可以同时进行峰值检测
  • 完全兼容 Star-Hub 同步
  • 波形之间的死区时间:40个样本点:500 MS/s采样率时为80 ns;100MS/s采样率时是400 ns
  • 与开发时用的 C/C++、Delphi、Basic、LabVIEW、MATLAB 等编程环境的API 完全兼容
  • 适用于所有基于 M4i 技术的高速数字化仪
  • 块统计功能可以与多轨采样模式和门控采样模式一起运行

 

块统计和峰值检测的整个过程都在数字化仪的 FPGA 内部完成,完全不产生 CPU 负载。这种数据处理减少了需要传输到主机PC的数据量,进一步降低了对CPU 需求。并加快了测量时间。

 

信号处理固件包括标准的数字化仪固件,因此可以不受限制地执行正常的数字化仪操作。

 
波形块统计示例

下图是使用块统计模式采集的波形实例,数字化仪使用的是 M4i.4450-x8 14 位 500 MS/s PCI Express 数字化仪。硬件可以从信号中获取以下信息,并存储为所获取的对应数据段的摘要:

  • 平均值(所有采集样本的总和)
  • 最小值
  • 最大值
  • 最小值位置
  • 最大值位置
  • 触发时间戳位置

 

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