すべての測定はトリガから始まる

オシロスコープのような計測器の重要な要件の1つは、疑わしい信号のストリーム内で発生するイベントを素早く確実に検出してトリガする機能です。特定のイベントを迅速に検出できれば、電子設計の問題を迅速にデバッグできるため、開発および製造のテスト時間を短縮できます。

この重要性は、オシロスコープのベンダーでも変わりません。多くのベンダは、100個以上のトリガをあらかじめ定義して、ユーザが頻繁に発生しない信号状態を素早く絶縁できるようにしています。これにより柔軟性が高まりますが、タイプ、速度、帯域幅、ホールドオフ、ソフトウェアなどによるトリガの変化が大きい場合、正しいトリガを選択することは信号をキャプチャするよりも困難になります。ただし、それぞれに柔軟性とデッドタイムのトレードオフがあります。トリガのタイプとそれぞれのトレードオフを理解することで、トリガイベントの成功確率を最適化する理想的なトリガアプローチを特定できます。

オシロスコープのトリガ性能は、以下の2つの側面によって決定されます。

1. トリガの柔軟性は、検査対象の信号条件に適応して効率を向上させるために、トリガしきい値または条件を簡単に定義できることを表します。ほとんどのオシロスコープには、レベルや幅などの最小限の設定でさまざまなベンダ定義トリガ関数が用意されていますが、カスタマイズする方法はありません。
   
2. トリガデッドタイムは、集録間のトリガをオシロスコープが検出できない時間を示します。これにより、対象のイベントがこのデッドタイムに入る場合、トリガ条件が満たされなくなります。トリガのデッドタイムは、すべてのトリガアーキテクチャに内在する特性ですが、デッドタイムを最小限に抑える方法およびテクニックがあります。多くのオシロスコープベンダは柔軟性を高めるためにソフトウェアベースのトリガを提供していますが、後処理が必要なためデッドタイムが非常に長く、非常に稀で頻繁に発生するイベントには理想的ではありません。

エッジトリガ（立ち上がりまたは立ち下がり信号遷移で集録を開始する）は、今日のオシロスコープで最も一般的なトリガモードの1つです。単純なデバッグおよびテスト機能の大部分はエッジトリガで処理されますが、多くの場合、特定の信号形状または複数の形状を連続して絶縁するために、より複雑なトリガシナリオが必要となります。より高度なトリガオプションもオシロスコープでは一般的で、I²CやSPIなどのシリアルプロトコル、グリッチ、ラント、幅、スルーレート、タイムアウトなどの高度なイベントや信号特性をキャプチャする柔軟性があります。

図1.このオシロスコープのブロックダイアグラムは、デジタル信号処理に基づいています。集録メモリと信号処理ユニットは、オシロスコープの集録アップデートレートとデッドタイムを決定します。

多くのトリガ条件はハードウェアで実装されていますが、図1に示すように、より高度なトリガオプションと信号資格はソフトウェアで実行されることがよくあります。ソフトウェアトリガは柔軟性に優れていますが、図2に示すように、オシロスコープが新しいトリガを検出できない期間に必要なデータ転送と処理時間が長くなります。トリガシステムがブラインド状態であるこの時間は、デッドタイムと呼ばれ、実際の集録データレコードよりも1振幅長い場合があります。つまり、オシロスコープトリガシステムでは95%の時間ブラインド状態である可能性があります。これにより、稀なイベントや頻度の低いイベントの検出が難しくなり、テスト時間が長くなります。さらに悪いことに、ユーザは、測定中に検出されなかったイベントが非常に稀であるため、予期されるイベントがない、という誤った仮定をしてしまう可能性があります。

図2.これは、波形スナップショット（上）と連続処理（下）の間にデッドタイムがある従来型オシロスコープでの波形集録および解析を示しています。

オシロスコープのトリガまたは信号解析機能がタスクに十分でない場合、ユーザは長い波形セグメントを集録し、この集録された未処理データをPCにダウンロードして後処理することで特定のイベントを検出することができます。しかし、これにより、システム全体の設計が複雑になり、データ転送のレイテンシと必要な処理時間が長くなるため、テスト時間が長くなります。

ほとんどのソフトウェアベースまたはスマートトリガオプションは電気Circuitsの設計およびテストのニーズを満たすことができますが、絶縁して迅速に修正しないと製品開発を大幅に遅らせることがまれにあります。ほとんどのオシロスコープトリガ関数には制限があるため、ユーザはベンダから提供されているもののみにアクセスできます。

オシロスコープ内に独自のアルゴリズムを実装できるため、計測器ベンダによって定義された機能に制限されることなく、特定のタスク用に計測器をカスタマイズすることができます。たとえば、図3に示すように、ユーザは独自のアプリケーション固有のトリガ条件を定義して信号条件をキャプチャできるため、PCでデータを後処理する必要がなくなるため、テスト時間が大幅に短縮されます。

オシロスコープでのインラインデータ処理とアルゴリズムの再プログラミングの柔軟性の両方を提供する重要な有効技術はFPGAです。FPGAは本質的にプログラム可能なチップで、カスタム信号処理と制御アルゴリズムを真の並列方法で高速スループットで実行できます。FPGAの柔軟性により、ユーザ固有のトリガアルゴリズムの変更や追加が可能になります。また、高スループット処理により、集録中にデータサンプルを後処理ではなくリアルタイムで解析できます。これにより、デッドタイムが解消され、トリガの見逃しを防止し、稀なイベントをより迅速に検出することができます。

ユーザ定義トリガの例としては、図3に示すように、標準のトリガ定義に収まらない信号形状や遷移を検出するものがあります。このデジタル信号は、信号の反射やテスト回路の電源障害などが原因で発生する非単調なエッジを示します。標準のエッジトリガまたは幅トリガではこの不要な信号は検出されず、通常の方法での検出はほとんど不可能です。このイベントを正確かつ一貫してキャプチャするには、新しいトリガを作成する必要があります。このような状況に対応するために、ソフトウェアトリガを開発することができます。ただし、この方法はトリガのデッドタイムが大きいため、稀なイベントは迅速に検出されません。または、ユーザがプログラム可能なFPGAを使用して、すべてのウィンドウトリガが有効なトリガ条件を同時に検出するたびに、結合トリガが発行され、信号が集録されるように、集録したサンプルポイントをマスクと比較するウィンドウトリガを複数用意することもできます。

FPGAは信号を連続的かつリアルタイムで評価するため、オシロスコープは単一イベントだけでなく、集録間のデッドタイムなしで連続イベントもキャプチャできます。

図3.特定の信号遷移はユーザ定義トリガを使用してキャプチャされます。この機能は再構成可能オシロスコープのFPGA内に実装されます。

長年、テストエンジニアは、従来の計測器に固定されたソフトウェアではなく、LabVIEWなどのソフトウェアツールを使用して、テストシステムの自動化、測定の解析と表示、テストコストの削減を図ってきました。このアプローチは柔軟性を提供し、最新のPCおよびCPU技術を活用します。しかし、多くの場合、ユーザはさらに一歩先に進み、計測器がアプリケーションのニーズによりよく合うように測定方法を修正する必要があります。

市販の計測器は、従来はベンダ定義であり、固定された機能しか提供されませんでしたが、NIはFPGA技術に基づいたよりオープンで柔軟性のある計測器をリードしています。その結果、固定の高品質計測テクノロジ、最新デジタルバスの統合、ユーザによるカスタマイズが可能な並列性の高いロジックによって遅延時間が短縮され、I/Oに直接接続されインライン処理が可能になります。

図4.これは再構成可能オシロスコープNI PXIe-5171Rのブロック図です。

FPGA技術は、以前はVerilogやVHDLなどのツールを使用してデジタルハードウェア設計の深い知識を持つ技術者しか扱えない技術でした。LabVIEWのような高レベルのシステム設計ツールの登場により、FPGAプログラミングの法則が変わり、グラフィカル形式のブロックダイアグラムをデジタルハードウェア回路に変換する新しい技術が生まれています。すべてのNI FPGAハードウェア製品（NI PXIe-5171Rを含む）は、高機能な浮動小数点プロセッサ、再構成可能FPGA、モジュール式I/Oなどを特長とするLabVIEW再構成可能I/O（RIO）アーキテクチャに基づくものです。LabVIEW RIOアーキテクチャは、高度な制御、監視、およびテストアプリケーションを設計する際に、開発を簡素化し、市場投入までの時間を短縮します。LabVIEWでは、計測器の機能を拡張できます。たとえば、カスタムトリガや追加のタイミング/制御信号を使用できます。ユーザは、ソフトウェア設計計測器のFPGAに独自のアルゴリズムを実装して、ハードウェアをまったく異なるタスクに転用することもできます。たとえば、オシロスコープは、リアルタイムスペクトラムアナライザ、過渡レコーダ、プロトコルアナライザ、RF受信機などにすることができます。

これは、テストシステムにおいて重要なコスト面である、購入およびメンテナンスが必要な計測器の数を減らすことができるため、装置コストを削減するのに役立ちます。これは、軍事または航空宇宙テストシステムなど、非常に長期間 (10年以上) にわたってテストおよび計測器機能を提供する必要がある場合に特に役立ちます。これらのアプリケーションでは、使用できなくなった古い計測器の動作を再現する必要があります。

再構成可能な計測器は、古い計測器の動作を模倣するように再プログラムできるため、このアプリケーションに役立ちます。これにより、テストシステムソフトウェアがこの新しい計測器と動作するために必要な手直しや再認証が大幅に削減されるため、コストが節約されます。

このタイプの計測器の例としては、Xilinx Kintex-7 FPGAを使用して8つの入力から集録されたサンプルをリアルタイムで処理するNI PXIe-5171R再構成可能オシロスコープがあります。図4は、ユーザがプログラム可能なFPGAがデータパスにどのように統合されているかを示し、計測器の制御およびタイミング信号へのアクセスも提供します。

オシロスコープの従来のトリガ方法では、柔軟性とリアルタイム解析が欠如しているため、非常に稀なイベントや複雑なイベントをキャプチャすることが困難でした。新しいアプローチでは、FPGA技術を利用して、最も複雑なトリガ条件に対応するカスタムトリガ関数を定義したり、信号をリアルタイムで処理および解析することができます。

トリガをカスタマイズしてデッドタイムを回避する方法をデモで確認します。