選擇合適的示波器進(jìn)行高速電路調(diào)試和驗(yàn)證
隱藏在正常信號(hào)里的異常(偶發(fā)性故障),是調(diào)試電路錯(cuò)誤的一種關(guān)鍵對(duì)象。發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性故障對(duì)于調(diào)試工具提出了很高的要求——調(diào)試工具的波形捕獲概率要足夠高,漏失率要足夠低,才能快速可靠地發(fā)現(xiàn)這些偶發(fā)的異常,為我們下一步定位問題提供足夠的信息。正像圖四中看到的例子,一秒發(fā)生一次的故障,可能來自于時(shí)鐘電路的周期性失效,也可能源于其它電路的干擾。由于這種失效或者干擾的出現(xiàn)概率可能只有幾百萬分之一甚至更低,所以對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器不到2%的捕獲概率來講,要以比較高的置信度來發(fā)現(xiàn)這些問題,需要花費(fèi)很長的時(shí)間。這時(shí),數(shù)字熒光示波器的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了,它高達(dá)數(shù)十萬次的波形捕獲率和最高可超過 60%的捕獲概率,可以幫助調(diào)試人員迅速“看到”問題,減少在眾多正常信號(hào)里面搜尋故障的時(shí)間——結(jié)果,您可能只需要幾秒鐘,而不是數(shù)分鐘、數(shù)小時(shí)甚至幾天的時(shí)間,就能發(fā)現(xiàn)令人頭痛的偶發(fā)性錯(cuò)誤。
事實(shí)上,偶發(fā)性故障對(duì)于調(diào)試人員來說本來是未知的——在有限的觀測(cè)時(shí)間內(nèi),發(fā)現(xiàn)問題的概率越高,則調(diào)試的效率越高。這時(shí)數(shù)字熒光示波器的價(jià)值更加明顯——DPO觀測(cè)一段時(shí)間所獲得的信息量,用數(shù)字存儲(chǔ)示波器可能需要數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的時(shí)間才能完成。所以,DPO是現(xiàn)今數(shù)字示波器領(lǐng)域,能最快發(fā)現(xiàn)問題的調(diào)試工具。還是圖四的例子,使用DPO觀測(cè)10秒鐘,發(fā)現(xiàn)一秒一次的故障的概率大約是 99.99%。而使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器,達(dá)到同樣的捕獲概率需要約450秒,也就是七分半鐘,差別一目了然。從這種意義上來講,DPO提供的不僅僅是遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先的效率,更加為調(diào)試人員增添了無以倫比的信心。
發(fā)現(xiàn)問題,完成了調(diào)試中關(guān)鍵的一步。下一步就是定位問題。
在定位問題上,業(yè)界有兩種方法:一種是使用長內(nèi)存,抓取很長的數(shù)據(jù)量,然后通過肉眼觀測(cè)或者搜索插件來找到關(guān)心的問題點(diǎn);另一種是使用觸發(fā),直接定位需要的的波形細(xì)節(jié)。這兩種方法,實(shí)際上是有其技術(shù)背景的:第一種方法是除了泰克公司以外的其它示波器生產(chǎn)商支持的——在沒有DPX并行處理技術(shù),波形捕獲率低的情況下,“放大網(wǎng),抓小魚”成了唯一的解決方案;加之這些廠商產(chǎn)品的高級(jí)觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬一般在800MHz以下,“抓取——篩選”也是這些示波器最容易實(shí)現(xiàn)的對(duì)高速信號(hào)“定位問題”的方法。數(shù)字熒光示波器更傾向于后一種方法:在DPX波形捕獲技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題以后,使用得到的波形異常信息設(shè)置Pinpoint 觸發(fā)系統(tǒng)的高級(jí)觸發(fā)條件,直接定位問題。
調(diào)試時(shí)使用長內(nèi)存加查找來定位問題,好比是用攝像機(jī)攝錄下一段時(shí)間的風(fēng)景,然后再返回去查看所有記錄來搜索我們想看的景色;硬件觸發(fā)定位,類似高性能照相機(jī)加準(zhǔn)確的快門設(shè)置,直接拍下我們關(guān)心的景色。兩種方法在效率上的優(yōu)劣一看自明。
另一方面,使用長內(nèi)存來直接“定位問題”,并沒有從根本上改善數(shù)字存儲(chǔ)示波器高漏失率的問題。在圖四的例子里面,如果使用目前業(yè)界高速內(nèi)存最長的數(shù)字存儲(chǔ)示波器,其可以提供最高20G的采樣率和100M存儲(chǔ)深度。您可以發(fā)現(xiàn),即時(shí)使用全部100M存儲(chǔ)空間,在20G采樣率下只能無漏失地捕獲5ms長度的波形;而處理這100M的數(shù)據(jù),這種示波器通常需要幾秒到幾分鐘的時(shí)間,漏失概率高達(dá)99.5%以上。所以在不知道偶發(fā)故障主要參數(shù)的前提下使用長內(nèi)存加搜索,其調(diào)試過程好比高射炮打蚊子,命中率極低。
DPO的高波形捕獲率,能在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的異常,如毛刺、欠幅脈沖、建立/保持時(shí)間違規(guī)、邊沿速率或者單調(diào)性問題等等,并能以色溫等方式告知其發(fā)生頻度。用戶使用基于DPX捕獲技術(shù)的快采(FastAcq)方式捕獲了這些問題以后,就可以使用簡(jiǎn)單的如光標(biāo)測(cè)量等方式確定其主要參數(shù),并將這些參數(shù)作為觸發(fā)條件,就可以直接定位故障了。
用來定位故障的觸發(fā)系統(tǒng),各公司使用的技術(shù)也是不一樣的。雖然各個(gè)廠商均宣稱在觸發(fā)系統(tǒng)上使用了SiGe的高速半導(dǎo)體技術(shù),但是真實(shí)效果卻有待研判。泰克公司在中高端數(shù)示波器中使用的 Pinpoint雙觸發(fā)系統(tǒng),使用了完全的SiGe 技術(shù),這種高帶寬、低功耗、低噪聲的半導(dǎo)體技術(shù)造就了Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)大性能:擁有業(yè)界最多的觸發(fā)模式——除了邊沿觸發(fā)外,還提供毛刺、欠幅脈沖、寬度、轉(zhuǎn)化時(shí)間、超時(shí)、碼型、狀態(tài)、建立/保持時(shí)間、窗口、通信相關(guān)觸發(fā)和串行碼型和解碼觸發(fā)等多種高級(jí)觸發(fā)模式;業(yè)界最高的觸發(fā)帶寬——前十大類觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬都可高達(dá)9GHz,串行碼型觸發(fā)可支持高達(dá)3.125Gbps的碼流;業(yè)界最強(qiáng)大的組合觸發(fā)模式——通過時(shí)間延時(shí)或事件延時(shí),以及時(shí)間 /狀態(tài)/轉(zhuǎn)換復(fù)位控制,Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)可提供超過1400種組合觸發(fā)模式。所以該觸發(fā)系統(tǒng)可以幾乎不受限制地設(shè)置各種觸發(fā)條件。相比起來,其它廠商的示波器觸發(fā)系統(tǒng),一般僅僅能在邊沿觸發(fā)這種繼承于模擬示波器的觸發(fā)模式上有可與示波器匹配的觸發(fā)帶寬。而在高級(jí)(智能、違規(guī))觸發(fā)模式下,這些示波器一般僅能夠提供不高于800MHz的觸發(fā)能力。這對(duì)于當(dāng)前的高性能、超高性能示波器來說幾乎沒有任何意義。
有些調(diào)試人員可能會(huì)有這樣的疑問:用DPX快采看到的故障,如果是不可重復(fù)的,那觸發(fā)系統(tǒng)再強(qiáng)大也捕獲不了啊?不錯(cuò),如果故障是單次的、不可重復(fù)的,那示波器是不能重新捕獲的。但是,您完全沒有必要擔(dān)心,事實(shí)上,純粹的不可重復(fù)故障并不是調(diào)試工作的任務(wù),我們?cè)谡{(diào)試時(shí)也不必關(guān)心這種問題。它可能源自一些非本電路的原因,如電力系統(tǒng)偶然失效、突發(fā)外部EMI干擾等——既然不會(huì)重復(fù),我們?yōu)槭裁匆獡?dān)心呢?
當(dāng)然,如果調(diào)試人員已經(jīng)習(xí)慣使用長內(nèi)存的方式定位故障,DPO 也能勝任。實(shí)時(shí)數(shù)字熒光示波器是現(xiàn)在業(yè)界內(nèi)存最長、處理速度最快的產(chǎn)品。它能在每通道上提供100M存儲(chǔ)深度,單通道下最高可達(dá)400M。400M是一個(gè)非常優(yōu)秀的指標(biāo),在20G采樣率下,400M存儲(chǔ)深度可以捕獲從工頻50Hz直到示波器滿帶寬的頻譜成份,這在高性能示波器里面還是首屈一指的。
下面就是分析問題。示波器能提供的分析方法一般有:自動(dòng)測(cè)量、數(shù)學(xué)運(yùn)算、頻譜分析、濾波和其它分析?,F(xiàn)代示波器一般都使用開放式的Windows操作系統(tǒng),較為容易實(shí)現(xiàn)分析功能的擴(kuò)展。
DPO 提供的標(biāo)準(zhǔn)配置分析功能很多。在自動(dòng)測(cè)量方面,有關(guān)于幅度、時(shí)間、組合、直方圖和眼圖的53種測(cè)試項(xiàng);在數(shù)學(xué)運(yùn)算方面,有數(shù)十種運(yùn)算符號(hào)可供調(diào)試人員自由編輯;頻譜分析方面,除了一般示波器可以提供的基本FFT頻譜分析儀外,DPO還提供高級(jí)的FFT分析,您可以設(shè)置中心頻率、頻譜跨度、分辨率帶寬和選擇合適的窗口函數(shù)(總共8種);DPO也提供用戶自定義的FIR濾波器功能,用戶可以使用低通、高通、帶通、帶阻、平滑等濾波器。此外,泰克還提供幾十個(gè)免費(fèi)小插件,使用這些小插件,可以輕松實(shí)現(xiàn)諸如“觸發(fā)-存盤”、“測(cè)量-歸檔”這樣的自動(dòng)操作。另外,通過選件支持,用戶還可以進(jìn)行抖動(dòng)分析、功率測(cè)量等高級(jí)測(cè)量。
有幾個(gè)分析工具是值得注意的:第一個(gè)是快幀(FastFrame),它能將內(nèi)存分段,連續(xù)觸發(fā),用戶可設(shè)置觸發(fā)捕獲次數(shù)。當(dāng)示波器捕獲用戶要求的次數(shù)后,每次捕獲的信息都存入內(nèi)存。用戶可以觀察每次捕獲的波形(觀察單個(gè)或者疊放),并且可以了解每次觸發(fā)的時(shí)間(精確到皮秒)。這個(gè)功能對(duì)測(cè)量故障或者低占空比脈沖信號(hào)的頻率和重復(fù)性有很大的幫助。和業(yè)界其它類似功能相比,DPO的快幀功能擁有最快的連續(xù)觸發(fā)速率和最準(zhǔn)確的定時(shí)精度;
第二個(gè)是DPX快采數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)量功能。之前有人認(rèn)為DPX快采的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行測(cè)試。事實(shí)上,DPX采集生成的波形數(shù)據(jù)庫不僅可以測(cè)量,而且由于其本來就有統(tǒng)計(jì)效果,所以該三維數(shù)據(jù)庫的信息用作重復(fù)信號(hào)或者有重復(fù)特性的信號(hào)的測(cè)量時(shí),標(biāo)準(zhǔn)偏差(std. deviation)還較其它采集模式下小很多,亦即測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。
評(píng)論