使用集成示波器，執(zhí)行五項常見調(diào)試任務(wù)

使用集成示波器，讓五項常見調(diào)試任務(wù)更高效

隨著復(fù)雜性不斷上升，實踐證明，現(xiàn)代混合信號設(shè)計與設(shè)計人員可謂棋逢對手。嵌入式設(shè)計工程師必須戴幾頂帽子，才能高效地診斷和調(diào)試最新設(shè)計。這意味著他們需要處理下述活動：設(shè)計電源，測量功率效率，在設(shè)計中采用無線電，或必須追蹤可能威脅預(yù)計操作的噪聲來源。

而且，調(diào)試當(dāng)今設(shè)計要求在混合域環(huán)境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數(shù)字信號、串行總線和并行總線。在不太遙遠的過去，這曾要求滿滿一工作臺的儀器，每臺儀器都有自己的接口和設(shè)置要求。

但是，正如嵌入式測試要求正在變化一樣，測試儀器也在變化，最明顯的是集成示波器的出現(xiàn)。在示波器用戶調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)，除他們的示波器外，工程師報告稱，他們每個月需要多次使用下面的儀器：

●數(shù)字電壓表87%

●函數(shù)發(fā)生器68%

●頻譜分析儀45%

●邏輯分析儀33%

●協(xié)議分析儀15%

這表明示波器–大多數(shù)設(shè)計工作臺的核心儀器–必需為設(shè)計人員提供一套更完善的功能和特性，支持高效檢驗和調(diào)試嵌入式設(shè)計。為滿足這一需求，測試設(shè)備制造商現(xiàn)在開始提供集成示波器，把多臺儀器融合到一個小型便攜式包裝中，并能夠同時查看時域信息和頻域信息。

市場上最新的集成示波器之一是泰克MDO3000 (圖1)，它同時融合六臺儀器，包括業(yè)內(nèi)唯一內(nèi)置到示波器中的獨立RF采集系統(tǒng)。其他功能包括邏輯分析儀、協(xié)議分析儀、任意函數(shù)發(fā)生器和數(shù)字電壓表(DVM)。而這樣一臺儀器在實踐中怎樣工作呢?它真能替代多臺獨立儀器嗎?為了嘗試回答這些問題，我們使用這臺全新集成示波器完成下面五項常見任務(wù)，包括：

1.查找異常信號

2.檢驗串行和并行總線設(shè)計

3.搜索噪聲源

4.使用帶噪聲的信號進行余量測試

5.驗證開關(guān)電源設(shè)計

一如既往，您獲得的好處可能會根據(jù)需求和要求變化–一定要仔細查看技術(shù)數(shù)據(jù)表，并與預(yù)計應(yīng)用進行對比。而隨著價格下降，達到“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字示波器的水平，同時隨著無線技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中普及，安全地說，集成示波器在這里可以清楚地代表示波器發(fā)展的未來。

圖1.泰克MDO3000系列集成示波器在一個便攜式包裝中提供了六臺儀器。

User interface selectable in 11 languages：用戶界面有11種語言可供選擇

9‘’display： 9‘’顯示器

Protocol decode application modules：協(xié)議解碼和應(yīng)用模塊

Dedicated spectrum analyzer functions true RF N connectors：專用頻譜分析儀功能和真正RF N連接器

16 digital channels： 16條數(shù)字通道

Arbitrary Function Generator：任意函數(shù)發(fā)生器

Oscilloscope and DVM inputs：示波器和DVM輸入

查找異常信號

發(fā)現(xiàn)和捕獲異常信號可能是調(diào)試過程中最困難的挑戰(zhàn)之一。僅一個信號上微弱的或偶爾發(fā)生的異常事件，都可能會直接決定設(shè)計能否可靠運行。

通常情況下，在探測電路板上的信號時，在波形上偶爾會看到微弱的光跡，表明偶爾出現(xiàn)的、非預(yù)計的事件，其看上去和數(shù)字信號不同。使用輝度等級顯示技術(shù)，可以幫助確認信號上存在偶發(fā)異常事件，但它們從屏幕上消失得太快，測量不到。盡管無限余輝在查看單個信號時會有一定的幫助，但它不能兼容快速探測電路板。

為在探測設(shè)計時發(fā)現(xiàn)異常信號，并了解異常事件發(fā)生的頻次，我們啟用了示波器的顏色等級快速采集模式。這種采集模式把波形采集速度提高到每秒超過280，000個波形，這一速度足以捕獲任何異常事件。如圖2所示，溫度顯示技術(shù)用紅色表示發(fā)生最頻繁的信號，用藍色表示發(fā)生最不頻繁的信號。在這個3.3 V數(shù)字信號中，可以看到偶爾出現(xiàn)的窄脈沖或毛刺。低幅度欠幅脈沖略高于1 V，也出現(xiàn)在藍色中。下一步，我們使用欠幅脈沖觸發(fā)，隔離和捕獲每個欠幅脈沖。

圖2： FastAcq使用溫度顯示捕獲異常信號。

但欠幅脈沖發(fā)生的頻次是多少呢?前面板控件可以進入手動和自動波形導(dǎo)航工具，擁有卷動和縮放之類的功能，可以檢查長采集數(shù)據(jù)。但是，手動導(dǎo)航長信號采集可能會非常繁瑣，而且容易出錯。在手動滾動數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點時，可能會漏掉關(guān)心的事件。在手動導(dǎo)航信號時，用戶怎樣能確信找到事件發(fā)生的所有位置呢?

解決方案是自動搜索信號，查找指定事件的所有時點。指定搜索事件與指定觸發(fā)事件的方式類似。然后，示波器將自動標(biāo)記每個事件，用戶可以使用前面板箭頭鍵在標(biāo)記之間移動，找到事件。

在這種情況下，欠幅脈沖觸發(fā)設(shè)置被復(fù)制到自動搜索設(shè)置中，我們發(fā)現(xiàn)采集信號中有三個欠幅脈沖，之間大約相距3.25 ms.有了這些信息以后，用戶可以關(guān)聯(lián)以這種速度發(fā)生的事件，隔離異常信號的成因。

檢驗串行和并行總線設(shè)計

為調(diào)試嵌入式系統(tǒng)，包括同時擁有并行總線和串行總線的系統(tǒng)，集成示波器提供了多種實用工具，包括處理串行總線的協(xié)議分析儀以及處理并行總線的邏輯分析儀。

在本例中，在串行方面，設(shè)計采用一條SPI串行總線。由于這是一條簡單的總線，示波器只需捕獲構(gòu)成SPI串行總線的三個信號。

在簡單地定義幾個串行總線參數(shù)后，如數(shù)字門限電平和和串行信號配置，示波器自動解碼總線數(shù)據(jù)，避免了手動解碼總線數(shù)據(jù)，節(jié)省幾個小時的時間，減少昂貴的錯誤。

這條SPI串行總線驅(qū)動著一個串行到并行轉(zhuǎn)換器。為了檢驗串行總線和并行總線之間的時序關(guān)系，數(shù)字通道采集了8個并行總線信號。在定義幾個總線參數(shù)后，并行總線被自動解碼和顯示。示波器可以一次解碼和顯示最多兩條并行總線或串行總線。通過同步顯示兩條總線，串行總線數(shù)據(jù)和并行總線數(shù)據(jù)之間的時序關(guān)系變得很明顯。在大多數(shù)情況下，并行總線值會被設(shè)置成傳送串行數(shù)據(jù)包之后的串行總線數(shù)據(jù)值。

為簡化調(diào)試任務(wù)，可以設(shè)置串行觸發(fā)，穩(wěn)定顯示，捕獲特定串行事件。在這種情況下，我們把觸發(fā)設(shè)置成每次在串行總線上傳送十六進制數(shù)據(jù)值B0時捕獲信號。如圖3所示，在傳送十六進制串行值B0時，并行總線值沒有變化。進一步調(diào)查顯示，設(shè)計的工作方式與預(yù)期方式差距較大。

圖3：串行觸發(fā)捕獲B0十六進制數(shù)據(jù)包，混合信號顯示穩(wěn)定化。

搜索嵌入式設(shè)計中的噪聲來源

另一項常見任務(wù)是追蹤設(shè)計中的噪聲來源。集成頻譜分析儀可以使用一臺儀器進行混合域調(diào)試。在這個實例中，我們在探測電路板時，發(fā)現(xiàn)一個頻率非常高的信號騎在其中一個低頻信號上。通過使用時域中的光標(biāo)測量，在大約900 MHz處找到主要噪聲。

通過切換到集成頻譜分析儀，我們使用一只近場探頭，捕獲放射信號。頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置成900 MHz，頻寬設(shè)置成2 MHz.有一個專用前面板數(shù)字鍵盤，用來設(shè)置這些參數(shù)及其他RF參數(shù)。然后我們慢慢把近場EMI環(huán)路天線移到電路板上，查找900 MHz處的最高信號電平。我們在FPGA時鐘發(fā)生器電路輸出處找到最強的信號，如圖4所示。

圖4：在FPGA處檢測到強900 MHz輻射。

為進一步進行分析，可以使用三維頻譜圖，監(jiān)測隨時間變化。在本例中，信號表現(xiàn)得相當(dāng)穩(wěn)定。在檢查FPGA布線后，我們確定信號對應(yīng)100 MHz以太網(wǎng)時鐘的九階諧波，電路板布線不良給設(shè)計中的其他信號帶來了磁性耦合。

使用帶噪聲的信號進行余量測試

余量測試是另一項日常任務(wù)。信號發(fā)生器為創(chuàng)建可編程激勵源提供了一個重要工具，可以用來對某個設(shè)計進行余量測試。

在這個例子中，我們使用集成示波器檢定CAN總線串行接收機電路的噪聲余量。首先，我們使用示波器上的一條模擬通道捕獲一個動態(tài)CAN信號，然后把它加載到集成任意波形/函數(shù)發(fā)生器的編輯內(nèi)存中。

然后，我們使用ARB重復(fù)輸出捕獲的串行激勵信號，驅(qū)動接收機電路的輸入。然后我們使用示波器的第3條通道采集接收機的串行輸出，并顯示解碼后的串行輸出。在這個例子中，最好增加一個總線觸發(fā)，以使顯示穩(wěn)定。

然后我們在串行信號中增加高斯噪聲，監(jiān)測接收機電路解碼后的輸出，查找開始變化或消失的數(shù)據(jù)包，表明誤碼，如圖5所示。

通過監(jiān)測接收機解碼后的輸出，我們發(fā)現(xiàn)接收機設(shè)計可以很好地處理最高約為串行信號幅度40%的噪聲電平，而在噪聲電平達到信號幅度的45-50%時，則表現(xiàn)出明顯的錯誤。這種測試方法非常有效，可以迅速檢驗接收機設(shè)計中的噪聲余量。

圖5：捕獲串行接收機輸出上漏掉的串行數(shù)據(jù)包，表明誤碼。

驗證開關(guān)電源設(shè)計

通過基于示波器的功率測量，任何用戶都可以迅速獲得像電源專家一樣準(zhǔn)確的、可重復(fù)的結(jié)果，即使他們很少處理功率測量。這個實例說明了常見功率測量及怎樣通過集成示波器、使用自動功率測量、集成DVM及差分探頭和電流探頭完成這些測量。

在這個例子中，圖6顯示了來自AC到DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(黃色)和電流(藍色)。然后我們打開4位DVM，監(jiān)測DC輸出電壓。DVM顯示畫面右側(cè)的測量統(tǒng)計表明輸出電壓非常穩(wěn)定，圖形讀數(shù)一目了然地顯示了電壓變化。然后我們使用功率測量應(yīng)用，獲得輸入功率質(zhì)量測量，包括功率、波峰因數(shù)和功率因數(shù)，檢定電源對AC電源的影響。從這里，我們使用電流諧波測量，以圖形格式和表格格式提供輸入電流頻域分析。

圖6：使用DVM監(jiān)測DC輸出電壓。AC輸入電壓波形用黃色顯示，電流波形用藍色顯示。

另一個關(guān)鍵功率測量是開關(guān)器件中的開關(guān)損耗，這對電源效率是一個主要限制。在這種情況下，我們測量越過MOSFET的差分電壓(黃色波形)，另外測量流經(jīng)開關(guān)器件的電流(藍色波形)。然后我們生成瞬時功率波形(圖7中的紅色波形)，顯示開關(guān)損耗功率和能量測量。

圖7：顯示開關(guān)損耗功率和能量測量。

最后，安全作業(yè)區(qū)測量可以自動監(jiān)測各種輸入和負載條件下的開關(guān)行為，執(zhí)行通過/失敗測試。通過比較開關(guān)器件的電壓、電流、瞬時功率電平與器件的最大額定值，這一測量用以保證超出指標(biāo)不會損害器件的可靠性。

小結(jié)

現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)與幾年前有些相似，最明顯的原因是增加了無線功能。當(dāng)今正在生產(chǎn)或正在開發(fā)的大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計至少包括一種形式的無線功能，如Wi-Fi、藍牙或ZigBee.從鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備到智能家居和流式媒體盒，消費者需要無線技術(shù)帶來的便利。測試這些系統(tǒng)意味著設(shè)計人員必須能夠在混合域環(huán)境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數(shù)字信號、串行總線和并行總線。

為滿足這一需求，測試設(shè)備廠商推出了集成示波器，在一個便攜式儀器中提供了一套完整的臺式儀器。如前所述，這些示波器能夠處理多種常見的調(diào)試和檢驗任務(wù)，從檢測放射EMI的來源到驗證開關(guān)電源設(shè)計。