【产品】MXR系列示波器推出Fault Hunter故障猎人功能，为其通用信号调试应用增添AI能力

从上世纪90年代以来，电路系统从主要由早期的模拟分立元件构成向数字电路跃进，进入到21世纪则大步向大规模数字集成电路和片上系统发展。因此信号和电路调试从早先的模拟信号观测和调试发展到并行总线调试再到今天以串行总线测试和外部接口测试等主要任务。总的来说，鉴于以上发展趋势和方向，实时示波器早年的重要工作——通用信号调试任务的重要性有所下降，但是依然是不可忽视的一个应用方面。

图1  中端示波器三大应用场景

对于信号调试用途的示波器来说，今天的多功能即多合1在信号调试中的帮助无疑是巨大的。比如内置函数发生器可以用于输出各种常见波形用于注入到系统做同步或干扰等用途，包括正弦波，方波，锯齿波，噪声等等波形。业界最早集成入示波器的16个数字通道逻辑分析功能，则广泛用于8/16位MCU总线和信号调试。以及集成的多种协议分析功能等在信号调试和分析中可以有效地触发并解码总线上的链路协商信号的协议和数据。当然还有MXR系列最新集成的RTSA功能将实时示波器的调试功能从时域扩展到频域，是测试测量行业又一个新的创举。其它种种功能不在此一一举例。

总之，多合1功能极大扩展了示波器在今天复杂的跨时域和频域的数字智能系统设计开发和信号调试中的从数字时域到射频域，从模拟层到协议层分析的种种功能，满足了广大工程师朋友和市场的需求。

另外一个对于信号调试非常重要的速度，指的是示波器快速发现异常或故障并进行定位，然后分析并最终解决问题的能力。快速发现异常或故障，依赖于示波器的快速波形刷新，而定位则必须设置正确和有效的触发条件将异常信号和正常信号区分开来，这些正是数字实时示波器很多年来一直孜孜追求的软性指标和要求。而这也是KEYSIGHT公司一直在追求的方向和目标！发展到今天的全新MXR中端示波器，Keysight又将交出一封怎样的答卷？

一、高速波形刷新率——快速发现异常或故障

01、对快速发现异常或故障最重要的是实时示波器的波形刷新率

数字示波器相对于模拟示波器除了其显著的优点外，其最大缺陷也是局限于本身结构导致的死区时间较长。如下图示，一般的波形刷新率慢的示波器，实质是由于其本身过于依赖内部的核心CPU系统完成波形数据处理、波形绘制乃至管理整个系统的工作，因此当CPU系统忙于处理当前帧数据(数据长度一般取决于示波器当前水平系统的总捕获时长)，其内部ADC依然在高速采样，但是无法进入系统处理，因此数据会被丢弃，这就是数字示波器的死区时间产生的原因。

图2 数字示波器死区时间和波形刷新率关系说明

为什么波形刷新率如此重要？

设想一下，当您用探头观测信号时，您的耐心是多久？10秒？如果10秒不能发现异常波形，您或许认为一切正常。假如信号是50万个波形出现一个异常，但是如果示波器的波形刷新率只有3万次/秒，10秒钟观测到只有30万个波形。那么很可能您已经错过了,已经产生误判。而如果波形刷新率达20万次/秒，您能看到的就是200万个波形，那么发现异常的概率就高多了。

因此为了解决这一问题，不同公司采用不同的方法和技术，比如，业界有的公司采用并行结构，即ADC采样数据直接经过定制的ASIC进行快速处理不经过CPU处理直接送到显示系统。

这一并行结构和方法确实有效地提高了波形刷新和捕获速度，但是由于未经CPU处理，当按下特殊的快速捕获按钮或菜单时，波形经过该ASIC快速处理，刷新速度会超过一定数字(比如，三万次每秒)，但前提条件是示波器会脱离常见的采集模式(Sample Mode），进入特定采集模式(比如，Peak Detect和Envelope模式)下才能达到，因此只能用作Debug即调试用。且在快速捕获模式下，由于定制ASIC只针对波形刷新优化，用峰值或包络检测方式采集，导致其它一些指标下降比如触发抖动等指标，因此不能用作精确测量和分析比如FFT运算及一致性测试等等。

02、

Infiniium MXR 系列采用与超高端UXR 系列示波器相同的 100M+ 门 CMOS ASIC，这一功能强大的FPGA将ADC采集的数据进行快速处理和运算，比如硬件差分运算，FFT/滤波处理，乃至眼图分析和均衡/去嵌等高级运算，因此性能比以前提升了百倍以上。MXR采集系统结构如下图示：

图3 MXR采集板上100M+门FPGA加速数据处理

这颗100M+门FPGA本身就是一个功能强大的处理器，其在很大程度上分担了核心系统CPU的负担，从而大大降低MXR的死区时间，波形刷新率最高可达20万次/秒。

图4-1 上一代示波器波形捕获和测量示意图

图4-2 新一代MXR系列示波器高速波形捕获和测量示意图

上图两幅图，图4-1显示的是上一代示波器，图4-2是最新的MXR系列示波器，两台示波器采用相同的时基设置和垂直刻度设置,存储深度在同一数量级。对比可以看到，MXR的高速波形刷新率可以抓取到更多偶发的更慢的上升边沿信号，在时基40ns-60ns处也可以看到抓取到更多的偶发下降边沿。在同时进行的上升沿时间测量中，更高波形刷新率的MXR捕获更多波形提示更多的测量计数，最终测得结果也更加准确反映真实DUT上的信号情况。需要着重强调的是，MXR的20万次/秒的波形刷新率在最常规的Sample Mode模式下即可达到，无任何使用限制！

快速的波形刷新速率，在正常采集模式(Sample Mode)下即可实现让所有异常无所遁形，让您看到更多前所未见的信息和细节！

快速的波形刷新速率，在正常采集模式(Sample Mode)下即可实现更是提供了无论对测量还是数据运算或者一致性软件分析的大量数据保障，可以节约更多时间！

二、故障定位技术——强大的3级触发功能从硬件触发到InfiniiScan触发

01、

基于快速的波形刷新率，在看到偶发异常或故障后，如何进行有效和快速地定位？

传统方法是基于示波器的触发功能。以MXR系列示波器为例，提供了功能强大的2级序列硬件触发:

图5 MXR A-B组合触发示例

以上图为例，A事件设置为毛刺触发，B事件为Nth Edge上升沿触发，这里设置为第3，因此在屏幕上可以看到左边的A事件——毛刺和B事件——3th 上升沿。A,B事件之间还可以设置基于时间或通道AND/OR事件的复位以及延迟。

02、

Infiniium系列实时示波器提供了业界领先的丰富的触发类型，支持电路调试和分析日常工作中最常用的毛刺，矮脉冲及建立/保持硬件触发。并用Gallery显示以方便选择：

图6  MXR丰富的触发类型Gallery

在触发设置完成后，Infiniium实时示波器还支持用户自定义触发后动作。

图7 触发后动作

如上图示，在触发菜单下设置触发后动作，可以远程发Email通知采集完成如红色圆圈显示，也可以执行Multipurpose功能。在Multipurpose功能下，可以设置快速测量(QuickMeas)，快速截屏(QuickScreen) ，以及快速保存波形(QuickWaveform)等。

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以上常规触发设置，功能很强大，是不是？但是非常依赖于工程师对信号的把握和分析能力，是否能有一个简单的“所见即所得”的触发设置功能？

早在2006年, 原Agilent(Keysight公司前身)就针对这一来自于广大工程师的呼声，开发了领先业界近10余年的InfiniiScan软件触发技术，这一伟大创新极大地改变了工程师的示波器使用思维方式。

这一强大的软件触发查找功能包括：

测量查找(Measurement Finder)

基于任何测量项目(甚至复杂到TIE抖动测量)的测量值参数设置限制触发，当有信号测量值在(Inside)或者超出(Outside)这个限制时示波器会自动抓取这个波形并显示出来。

区域鉴定查找(Zone Qualified Finder)

区域鉴定查找允许触发您在示波器上看到的任何异常信号，可以同时针对各模拟通道的波形画8个区域，设为与波形“必须相交”或“不得相交”的模式。而针对不同区域之间可以定义为AND或OR布尔逻辑。

图8  InfiniiScan区域鉴定查找示意

通用串行码型查找(Generic Serial Finder)

根据设定的时钟恢复或缺省采用恒定频率时钟恢复，通用串行码型查找可以按照用户定义的码型序列对波形进行触发。

矮脉冲查找(Runt Finder)

提供针对矮脉冲类型异常的软件查找，是对硬件矮脉冲触发的补充。

非单调性边沿查找(Non-monotonic edge finder)

专门用于查找信号中的非单调性边沿，比如由于阻抗不匹配等反射导致的信号迟滞(Hysteresis)。

以上这些列出的InfiniiScan的功能，最为简单和直观的就是Zone Qualify Trigger——区域鉴定触发。比如针对图4动图中的信号，在信号触发边沿可以看到很多正常上升沿信号，也有一些上升时间明显很慢的上升沿闪过，最慢的上升沿为18ns左右。使用Zone Trigger功能，只需在信号可能出现的位置用鼠标拖拽画一个Zone，选择必须命中，那么很快示波器就会捕获到您感兴趣的上升沿过慢的信号。

InfiniiScan的Zone Qualify Trigger自其诞生以来就成为业界工程师的至爱，尤其在DDR2/3/4总线数据读写分离上得到了最成功的应用，是Keysight(Agilent)实时示波器成为DRAM存储测试分析行业首选设备的第一功臣。

图9  Zone Qualify Trigger用于DDR总线读写分离示意图

特别强调一下，MXR强大的2级硬件触发可以和InfiniiScan软件触发组合使用，提供3级触发能力, 针对异常信号可以采用更多更简单的方法进行定位！

三、全新故障猎人(Fault Hunter)功能为信号调试插上AI的翅膀

以上，我们介绍了MXR系列示波器上的强大的通用信号调试能力，从20万次波形每秒的刷新率，到强大的2级硬件触发能力以及简单易用的InfiniiScan软件触发，熟悉Keysight产品的工程师都知道所有这些都是MXR继承自以往产品的优良传统！

而近10来年从智能移动电话发端而方兴未艾的基于大数据的人工智能正在各行业得到广泛应用并深刻改变着人类生活，在测试测量行业和设备领域又能从中学习到什么或者如何拥抱人工智能？

现在，全新MXR系列示波器推出了故障猎人(Fault Hunter)功能首次将人工智能引入示波器并做出有益的尝试!

01、

首先来看，什么是Fault Hunter?

Fault Hunter是用于检查数字系统信号的新型创新专家系统。它会基于快速波形刷新率得到的大量数据(波形)自动评估信号的特性并做出判决，从而快速找到异常信号并保存故障波形以供查看和分析。

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在Analyze菜单下打开Fault Hunter应用，首先点击Auto Setup，故障猎人便开始自动抓取数据，运行时间可以选择一分钟，一小时乃至更长的8小时(您下班，故障猎人为您加班)甚至长达2天(您享受周末假期，故障猎人继续加班):

图10 Fault Hunter运行时间和设置示意图

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故障猎人会对大量数据(波形)自动设置如下测量项目并自动查找如下图示异常。根据统计学原理，离均值超过三个标准偏差的值是离群值。对于数字信号，异常值可以指示错误，故障或异常。测量项目结果包括平均值和标准偏差统计信息， 给定具有统计意义的样本（采集的波形）数量，Fault Hunter可以从平均值和标准偏差值自动设置极限。

基于示波器自动设定的限制，可以用红色告警——Failed标出有异常的测试波形，提示被测信号中有偏离正常值较大的波形。目前故障猎人可以自动猎取Glitch，异常边沿包括上升沿和下降沿以及Runt三类异常。猎取停止后点击View按钮示波器自动存储故障波形到Memory通道，在波形窗口可以对照通道波形进行分析。针对这些异常波形还可以再使用触发或InfiniiScan的Limits功能再定位。

图11  故障猎人应用执行的测量项目和异常波形查找类型

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如图11视频所示，在被测波形上我们注意到有的波形上升沿达13ns,明显超出正常值8ns。因此可以设定Accept Range <12ns，并再次手动点击Run:

图12  手动设置新的指标限制并抓取慢于12ns的异常信号

抓取后，点击View按钮，故障猎人会将这一波形自动存储到Memory 1，在演示视频里展示了捕获到的这一异常波形。还可以点击Copy to Trig按钮，示波器便会自动将当前的波形捕获设置条件装载到触发设置中，触发类型自动设为Edge Transition：

图13  故障猎人Copy to Trig功能让触发设置更简单

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针对此被测波形中出现概率更低的18ns上升沿信号，在前面介绍InfiniiScan演示时通过区域触发鉴定进行定位，在这里也可以非常轻松的通过设置上升沿慢于17ns的限制抓取得到:

图16  故障猎人抓取发生概率最小的18ns上升沿信号

以上，通过演示视频和图片说明，详细介绍了Fault Hunter的含义和在信号调试中如何灵活使用。除了针对上面的波形针对Rise Time/Fall Time异常的定位和捕获，还可以对毛刺及矮脉冲等异常类型信号进行定位和捕获。

看到这里，也许有同学会问，Fault Hunter在实际工作中可以用来干什么？

敲黑板，重点来了!

设想一下，假如信号里，如果有因为电路阻抗不匹配导致的反射回勾信号完整性问题，上升沿明显慢于正常值，您不妨可以试试上面的Slow Rising Edge猎取功能。

或者您在调试串行总线，或许存在因为ISI抖动导致个别数据位欠幅度将来眼图压模板，那么让MXR连续工作48小时进行大数据查找，也许会有相比以往从未观察到的发现！

如此强大，真香？一定价格不菲。在此，要向大家强调的是，这一全新的AI专家系统应用是标配哦，也就是说所有MXR系列示波器均包含这一功能，如同出厂即标配包含频率计和电压表，既无费用也无任何繁琐的注册程序“开盖即食”！！！

四、总结

本期文主要就MXR在通用信号调试这一中端示波器主要战场上的综合能力和表现做了一个大致的介绍，包括优异的20万次/秒的快速波形刷新率，到强大的3级触发包括2级硬件触发和简单易用且“所见即所得”的InfiniiScan触发功能。着重介绍在MXR上首次推出的创新的新型专家系统即具备人工智能能力的故障猎人(Fault Hunter)功能，这一全新的具备初步AI能力的功能对测试测量行业和示波器的发展未来必将产生深远影响，也必将成为业内模仿的对象，如同InfiniiScan。

以上所有这些强大的信号调试能力，都在践行MXR的口号：“See More, Do More, Save More”!