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使用集成示波器，讓五項常見調(diào)試任務更高效 隨著復雜性不斷上升，實踐證明，現(xiàn)代混合信號設計與設計人員可謂棋逢對手。嵌入式設計工程師必須戴幾頂帽子，才能高效地診斷和調(diào)試最新設計。這意味著他們需要處理下述活動：設計電源，測量功率效率，在設計中采用無線電，或必須追蹤可能威脅預計操作的噪聲來源。 而且，調(diào)試當今設計要求在混合域環(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)設計工作臺的核心儀器 – 必需為設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)試嵌入式設計。為滿足這一需求，測試設備制造商現(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，包括： 1.查找異常信號 2.檢驗串行和并行總線設計 3.搜索噪聲源 4.使用帶噪聲的信號進行余量測試 5.驗證開關電源設計 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，并與預計應用進行對比。而隨著價格下降，達到“標準”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，可能會漏掉關心的事件。在手動導航信號時，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，示波器將自動標記每個事件，用戶可以使用前面板箭頭鍵在標記之間移動，找到事件。 在這種情況下，欠幅脈沖觸發(fā)設置被復制到自動搜索設置中，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)之間的時序關系變得很明顯。在大多數(shù)情況下，并行總線值會被設置成傳送串行數(shù)據(jù)包之后的串行總線數(shù)據(jù)值。 為簡化調(diào)試任務，可以設置串行觸發(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，設計的工作方式與預期方式差距較大。 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。 搜索嵌入式設計中的噪聲來源 另一項常見任務是追蹤設計中的噪聲來源。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置成900 MHz，頻寬設置成2 MHz。有一個專用前面板數(shù)字鍵盤，用來設置這些參數(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)得相當穩(wěn)定。在檢查FPGA布線后，我們確定信號對應100 MHz以太網(wǎng)時鐘的九階諧波，電路板布線不良給設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。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。 驗證開關電源設計 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確的、可重復的結(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。 另一個關鍵功率測量是開關器件中的開關損耗，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)，顯示開關損耗功率和能量測量。 圖7: 顯示開關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行為，執(zhí)行通過/失敗測試。通過比較開關器件的電壓、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。當今正在生產(chǎn)或正在開發(fā)的大多數(shù)系統(tǒng)設計至少包括一種形式的無線功能，如Wi-Fi、藍牙或ZigBee。從鼠標、鍵盤等輸入設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，從檢測放射EMI的來源到驗證開關電源設計。 |
