使用集成示波器，執行五項常見(jiàn)調試任務(wù)

使用集成示波器，讓五項常見(jiàn)調試任務(wù)更高效

隨著(zhù)復雜性不斷上升，實(shí)踐證明，現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試最新設計。這意味著(zhù)他們需要處理下述活動(dòng)：設計電源，測量功率效率，在設計中采用無(wú)線(xiàn)電，或必須追蹤可能威脅預計操作的噪聲來(lái)源。

而且，調試當今設計要求在混合域環(huán)境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數字信號、串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)。在不太遙遠的過(guò)去，這曾要求滿(mǎn)滿(mǎn)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。在示波器用戶(hù)調查中，我們發(fā)現，除他們的示波器外，工程師報告稱(chēng)，他們每個(gè)月需要多次使用下面的儀器：

●數字電壓表87%

●函數發(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，支持高效檢驗和調試嵌入式設計。為滿(mǎn)足這一需求，測試設備制造商現在開(kāi)始提供集成示波器，把多臺儀器融合到一個(gè)小型便攜式包裝中，并能夠同時(shí)查看時(shí)域信息和頻域信息。

市場(chǎng)上最新的集成示波器之一是泰克MDO3000 (圖1)，它同時(shí)融合六臺儀器，包括業(yè)內唯一內置到示波器中的獨立RF采集系統。其他功能包括邏輯分析儀、協(xié)議分析儀、任意函數發(fā)生器和數字電壓表(DVM)。而這樣一臺儀器在實(shí)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(wèn)題，我們使用這臺全新集成示波器完成下面五項常見(jiàn)任務(wù)，包括：

1.查找異常信號

2.檢驗串行和并行總線(xiàn)設計

3.搜索噪聲源

4.使用帶噪聲的信號進(jìn)行余量測試

5.驗證開(kāi)關(guān)電源設計

一如既往，您獲得的好處可能會(huì )根據需求和要求變化–一定要仔細查看技術(shù)數據表，并與預計應用進(jìn)行對比。而隨著(zhù)價(jià)格下降，達到“標準”數字示波器的水平，同時(shí)隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在嵌入式系統中普及，安全地說(shuō)，集成示波器在這里可以清楚地代表示波器發(fā)展的未來(lái)。

圖1.泰克MDO3000系列集成示波器在一個(gè)便攜式包裝中提供了六臺儀器。

User interface selectable in 11 languages：用戶(hù)界面有11種語(yǔ)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(zhuān)用頻譜分析儀功能和真正RF N連接器

16 digital channels： 16條數字通道

Arbitrary Function Generator：任意函數發(fā)生器

Oscilloscope and DVM inputs：示波器和DVM輸入

查找異常信號

發(fā)現和捕獲異常信號可能是調試過(guò)程中最困難的挑戰之一。僅一個(gè)信號上微弱的或偶爾發(fā)生的異常事件，都可能會(huì )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(shí)，在波形上偶爾會(huì )看到微弱的光跡，表明偶爾出現的、非預計的事件，其看上去和數字信號不同。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(wú)限余輝在查看單個(gè)信號時(shí)會(huì )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(shí)發(fā)現異常信號，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(guò)280，000個(gè)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(gè)3.3 V數字信號中，可以看到偶爾出現的窄脈沖或毛刺。低幅度欠幅脈沖略高于1 V，也出現在藍色中。下一步，我們使用欠幅脈沖觸發(fā)，隔離和捕獲每個(gè)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(jìn)入手動(dòng)和自動(dòng)波形導航工具，擁有卷動(dòng)和縮放之類(lèi)的功能，可以檢查長(cháng)采集數據。但是，手動(dòng)導航長(cháng)信號采集可能會(huì )非常繁瑣，而且容易出錯。在手動(dòng)滾動(dòng)數百萬(wàn)個(gè)數據點(diǎn)時(shí)，可能會(huì )漏掉關(guān)心的事件。在手動(dòng)導航信號時(shí)，用戶(hù)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(dòng)搜索信號，查找指定事件的所有時(shí)點(diǎn)。指定搜索事件與指定觸發(fā)事件的方式類(lèi)似。然后，示波器將自動(dòng)標記每個(gè)事件，用戶(hù)可以使用前面板箭頭鍵在標記之間移動(dòng)，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(dòng)搜索設置中，我們發(fā)現采集信號中有三個(gè)欠幅脈沖，之間大約相距3.25 ms.有了這些信息以后，用戶(hù)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(xiàn)設計

為調試嵌入式系統，包括同時(shí)擁有并行總線(xiàn)和串行總線(xiàn)的系統，集成示波器提供了多種實(shí)用工具，包括處理串行總線(xiàn)的協(xié)議分析儀以及處理并行總線(xiàn)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(xiàn)。由于這是一條簡(jiǎn)單的總線(xiàn)，示波器只需捕獲構成SPI串行總線(xiàn)的三個(gè)信號。

在簡(jiǎn)單地定義幾個(gè)串行總線(xiàn)參數后，如數字門(mén)限電平和和串行信號配置，示波器自動(dòng)解碼總線(xiàn)數據，避免了手動(dòng)解碼總線(xiàn)數據，節省幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，減少昂貴的錯誤。

這條SPI串行總線(xiàn)驅動(dòng)著(zhù)一個(gè)串行到并行轉換器。為了檢驗串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)之間的時(shí)序關(guān)系，數字通道采集了8個(gè)并行總線(xiàn)信號。在定義幾個(gè)總線(xiàn)參數后，并行總線(xiàn)被自動(dòng)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(xiàn)或串行總線(xiàn)。通過(guò)同步顯示兩條總線(xiàn)，串行總線(xiàn)數據和并行總線(xiàn)數據之間的時(shí)序關(guān)系變得很明顯。在大多數情況下，并行總線(xiàn)值會(huì )被設置成傳送串行數據包之后的串行總線(xiàn)數據值。

為簡(jiǎn)化調試任務(wù)，可以設置串行觸發(fā)，穩定顯示，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(xiàn)上傳送十六進(jìn)制數據值B0時(shí)捕獲信號。如圖3所示，在傳送十六進(jìn)制串行值B0時(shí)，并行總線(xiàn)值沒(méi)有變化。進(jìn)一步調查顯示，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(jìn)制數據包，混合信號顯示穩定化。

搜索嵌入式設計中的噪聲來(lái)源

另一項常見(jiàn)任務(wù)是追蹤設計中的噪聲來(lái)源。集成頻譜分析儀可以使用一臺儀器進(jìn)行混合域調試。在這個(gè)實(shí)例中，我們在探測電路板時(shí)，發(fā)現一個(gè)頻率非常高的信號騎在其中一個(gè)低頻信號上。通過(guò)使用時(shí)域中的光標測量，在大約900 MHz處找到主要噪聲。

通過(guò)切換到集成頻譜分析儀，我們使用一只近場(chǎng)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(gè)專(zhuān)用前面板數字鍵盤(pán)，用來(lái)設置這些參數及其他RF參數。然后我們慢慢把近場(chǎng)EMI環(huán)路天線(xiàn)移到電路板上，查找900 MHz處的最高信號電平。我們在FPGA時(shí)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(jìn)一步進(jìn)行分析，可以使用三維頻譜圖，監測隨時(shí)間變化。在本例中，信號表現得相當穩定。在檢查FPGA布線(xiàn)后，我們確定信號對應100 MHz以太網(wǎng)時(shí)鐘的九階諧波，電路板布線(xiàn)不良給設計中的其他信號帶來(lái)了磁性耦合。

使用帶噪聲的信號進(jìn)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(gè)重要工具，可以用來(lái)對某個(gè)設計進(jìn)行余量測試。

在這個(gè)例子中，我們使用集成示波器檢定CAN總線(xiàn)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(gè)動(dòng)態(tài)CAN信號，然后把它加載到集成任意波形/函數發(fā)生器的編輯內存中。

然后，我們使用ARB重復輸出捕獲的串行激勵信號，驅動(dòng)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(gè)例子中，最好增加一個(gè)總線(xiàn)觸發(fā)，以使顯示穩定。

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

通過(guò)監測接收機解碼后的輸出，我們發(fā)現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(shí)，則表現出明顯的錯誤。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據包，表明誤碼。

驗證開(kāi)關(guān)電源設計

通過(guò)基于示波器的功率測量，任何用戶(hù)都可以迅速獲得像電源專(zhuān)家一樣準確的、可重復的結果，即使他們很少處理功率測量。這個(gè)實(shí)例說(shuō)明了常見(jiàn)功率測量及怎樣通過(guò)集成示波器、使用自動(dòng)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(gè)例子中，圖6顯示了來(lái)自AC到DC轉換器的輸入電壓(黃色)和電流(藍色)。然后我們打開(kāi)4位DVM，監測DC輸出電壓。DVM顯示畫(huà)面右側的測量統計表明輸出電壓非常穩定，圖形讀數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、波峰因數和功率因數，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(gè)關(guān)鍵功率測量是開(kāi)關(guān)器件中的開(kāi)關(guān)損耗，這對電源效率是一個(gè)主要限制。在這種情況下，我們測量越過(guò)MOSFET的差分電壓(黃色波形)，另外測量流經(jīng)開(kāi)關(guān)器件的電流(藍色波形)。然后我們生成瞬時(shí)功率波形(圖7中的紅色波形)，顯示開(kāi)關(guān)損耗功率和能量測量。

圖7：顯示開(kāi)關(guān)損耗功率和能量測量。

最后，安全作業(yè)區測量可以自動(dòng)監測各種輸入和負載條件下的開(kāi)關(guān)行為，執行通過(guò)/失敗測試。通過(guò)比較開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流、瞬時(shí)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(huì )損害器件的可靠性。

小結

現代嵌入式系統與幾年前有些相似，最明顯的原因是增加了無(wú)線(xiàn)功能。當今正在生產(chǎn)或正在開(kāi)發(fā)的大多數系統設計至少包括一種形式的無(wú)線(xiàn)功能，如Wi-Fi、藍牙或ZigBee.從鼠標、鍵盤(pán)等輸入設備到智能家居和流式媒體盒，消費者需要無(wú)線(xiàn)技術(shù)帶來(lái)的便利。測試這些系統意味著(zhù)設計人員必須能夠在混合域環(huán)境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數字信號、串行總線(xiàn)和并行總線(xiàn)。

為滿(mǎn)足這一需求，測試設備廠(chǎng)商推出了集成示波器，在一個(gè)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(jiàn)的調試和檢驗任務(wù)，從檢測放射EMI的來(lái)源到驗證開(kāi)關(guān)電源設計。