Pico示波器在故障診斷中的應用

　　當今，工程師面臨著(zhù)越來(lái)越嚴苛和復雜的測試任務(wù)。有時(shí)候設備在實(shí)驗中能夠正常工作，但是在實(shí)際現場(chǎng)應用時(shí)，就會(huì )出現這樣那樣的問(wèn)題，從而導致設備無(wú)法正常運行。一旦出現問(wèn)題，一方面會(huì )引起客戶(hù)的不滿(mǎn)，一方面可能會(huì )造成生產(chǎn)損失，昂貴的維修費用，甚至帶來(lái)安全隱患。每當這個(gè)時(shí)候，客戶(hù)總是希望現場(chǎng)應用工程師能夠快速準確的進(jìn)行故障定位并維修以便于他們恢復生產(chǎn)，這就給故障診斷工程師帶來(lái)了巨大的挑戰。

　　現場(chǎng)診斷時(shí)，工程師往往需要隨身攜帶一套小巧輕便、但功能強大的分析工具，捕捉波形異常，例如 定時(shí)錯誤、串擾、瞬態(tài)、電源質(zhì)量測試問(wèn)題等，從而來(lái)進(jìn)行設備功能測試、故障定位、錯誤追蹤等。

　　PicoScope示波器非常小，甚至能夠放在襯衣的口袋中或筆記本電腦包中，很方便隨身攜帶。同時(shí)其功能和性能也非常強大，能夠媲美甚至超過(guò)許多實(shí)驗室儀器，幫助工程師處理現場(chǎng)帶來(lái)的挑戰——更快、更容易解決故障。

　　本文將回顧一些常用的故障診斷案例，并介紹如何用PicoScope2200A和5000系列示波器捕捉和查找波形異常從而來(lái)判斷問(wèn)題所在。

　　實(shí)驗室設計驗證……

　　產(chǎn)品設計不是一項簡(jiǎn)單的工作，工程師們一般需要掌握所有的實(shí)驗室工具以保證設計的圓滿(mǎn)完成。這些基本工具包括自動(dòng)設計和仿真工具、一系列硬件驗證工具，例如：一臺示波器、一臺信號發(fā)生器、邏輯分析儀、DVM、精密激勵電源等等。除此以外，一旦遇到問(wèn)題，也可以進(jìn)行團隊間的協(xié)作，例如，一個(gè)FPGA工程師遇到一個(gè)存儲器接口問(wèn)題，他可以跟硬件研發(fā)經(jīng)理聯(lián)系，請求其團隊的工程師一起檢查和解決問(wèn)題。

　　…現場(chǎng)故障診斷

　　設備在現場(chǎng)應用時(shí)一旦出現故障，那跟實(shí)驗室的情況完全不一樣。首先，客戶(hù)會(huì )對產(chǎn)品有意見(jiàn)，覺(jué)得產(chǎn)品質(zhì)量不好，同時(shí)會(huì )要求廠(chǎng)家幫助解決問(wèn)題。如果產(chǎn)品用于生產(chǎn)過(guò)程，那么由于產(chǎn)品設計缺陷引起的經(jīng)濟損失是非常巨大的，所以時(shí)間是及其重要的。更糟糕的是，如果產(chǎn)品用于安全性至關(guān)重要的領(lǐng)域或者醫療行業(yè)，產(chǎn)品故障可能致使生命陷入危險之中。因此工程師們找到和解決設計缺陷的壓力是非常大的。

　　一旦出現故障，倒霉的設計工程師就需要被派遣到應用現場(chǎng)，在完全陌生的環(huán)境下，幫助客戶(hù)解決那個(gè)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中從不曾出現過(guò)的設計缺陷，沒(méi)有直接的團隊幫助。而且，運輸急需的實(shí)驗室設備到現場(chǎng)有時(shí)候是不切實(shí)際的，一方面來(lái)設備體積大不便于運輸，一方面可能內部設計團隊正在使用這些設備。

　　此時(shí)，一臺小型、輕便、功能上類(lèi)似于或超越實(shí)驗室硬件驗證工具的設備是非常有必要的。 它還要求能夠共享現場(chǎng)測試數據和結果，讓設計團隊的其他成員了解到現場(chǎng)發(fā)現的故障，以便于共同找到問(wèn)題的根源和解決辦法。

　　PicoScope 軟件

　　Pico USB 示波器是一款小型、輕便、新型的能夠替代傳統臺式示波器的儀器。體積小巧，可以直接放在筆記本電腦包中，同時(shí)其功能一點(diǎn)也不低于普通的臺式示波器。 Pico示波器提供2個(gè)和4個(gè)通道，500MHz帶寬，一個(gè)內置信號源和16個(gè)數字通道。高級觸發(fā)、串行解碼、波罩測試、波形數學(xué)運算等高級功能也包含其中。高達2G的存儲深度使PicoScope用戶(hù)能夠實(shí)時(shí)對復雜系統進(jìn)行深入分析，同時(shí)其他的工程師也可以用他們電腦上免費的Picoscope 軟件進(jìn)行離線(xiàn)或者遠程分析。

　　本文我們將舉例說(shuō)明如何用2通道2204A系列口袋示波器和4通道5000系列柔性分辨率示波器進(jìn)行故障診斷的。

　　基本信號完整性測量

　　正在尋找設計缺陷的工程師的第一個(gè)任務(wù)是基本信號完整性測試和定時(shí)檢查。時(shí)鐘分布是否正常?邏輯邊沿是否符合設計規范?是否有噪音或串擾會(huì )對電路造成影響?運行一段時(shí)間之后，設備性能是否穩定?或當外部環(huán)境，如溫度、電源電壓和電磁干擾的存在是否影響設計的穩定性?

　　圖1 用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C時(shí)鐘和數據波形的截圖。四個(gè)圖表面板分別顯示了不同縮放比例下的波形，允許用戶(hù)查看波形中感興趣的部分。

　　左上角的視圖中我們可以看到整個(gè)捕獲的波形，藍色的是SDA，紅色的是時(shí)鐘信號。左下角顯示的對觸發(fā)信號的放大，此時(shí)脈沖寬度>200us。右上角是放大顯示第六個(gè)捕獲序列的時(shí)鐘波形，右下角顯示的了第二個(gè)數據包的時(shí)鐘和時(shí)間關(guān)系。

　　圖1用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C時(shí)鐘和數據波形

　　查找毛刺

　　確保設備能夠正常工作之后，下一步可能會(huì )尋找故障或其他波形錯誤，這些可能是由間隙性電路故障引起的。圖2顯示如何設置一個(gè)通用的數字錯誤條件觸發(fā)，例如，脈沖寬度、失真、邏輯狀態(tài)等。

　　圖2 如何設置一個(gè)數字錯誤觸發(fā)條件

　　另一個(gè)查找間隙性錯誤的方法是捕捉一個(gè)正常的波形，用自定義的容差創(chuàng )建一個(gè)波罩，然后進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的波形測試。當測試的波形落在波罩范圍之外時(shí)，PicoScope 觸發(fā)一個(gè)警報來(lái)保存失敗的波形，觸發(fā)蜂鳴器或執行用戶(hù)自定義的動(dòng)作。這是一個(gè)在無(wú)人值守時(shí)測試入侵的理想設備。

　　圖3 顯示了PicoScope 的波罩測試，時(shí)域和頻域均可用。如果開(kāi)關(guān)電源的峰值對數據總線(xiàn)造成干擾，那么就會(huì )很明顯的顯示在頻域上，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)警報。

　　圖3 波罩測試

　　檢查程序的執行

　　設備調試過(guò)程中，最常用的就是檢查程序執行的邏輯，例如數據是否按照順序被成功寫(xiě)入或者讀取。這時(shí)工程師可能需要在總線(xiàn)上有脈沖或者錯誤發(fā)生時(shí)，觸發(fā)示波器，觀(guān)察數據流向。圖4 顯示I2C總線(xiàn)的解碼。注意，時(shí)鐘和數據波形上的毛刺看起來(lái)像是電路板上信號串擾導致的。

　　圖4 I2C串行解碼

　　該例子顯示了小緩存示波器對幾個(gè)數據包的解碼結果。像PicoScope 5000系列深度緩存示波器緩存高達256M，能夠一次性解碼成千上百個(gè)數據包，用于追蹤程序的詳細運行情況。任何錯誤都能夠立即被定位到相應的波形上，從而進(jìn)行分析和調整。

　　功率分析

　　如果設備是電源供電或者位于電源供電設備附近，測試失敗很可能是由于電源的質(zhì)量問(wèn)題或者電磁干擾所致。非線(xiàn)性負載和現代功率轉換設備會(huì )產(chǎn)生復雜的電壓和電流波形，這些波形中包含有顯著(zhù)的諧波分量。諧波分量的測試和分析對于解決電源的質(zhì)量問(wèn)題是至關(guān)重要的。對于設備生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，電源質(zhì)量，像電壓驟降、驟升、峰值、抖動(dòng)、中斷、長(cháng)時(shí)間運行時(shí)電壓和頻率的變化參數的評估，也是至關(guān)重要的，因為這是保證在各種供電條件設備能夠正常運行的前提。圖5 顯示了筆記本電腦的電源電壓(藍色波形)和電流(綠色波形)，該電源是非線(xiàn)性的，故有一個(gè)很明顯的諧波分量，如頻域波形所示。黑色的波形是功率波形，是數學(xué)通道中由通道A和通道B相乘得到的，單位kW。這種情況下，整體電流消耗很低，這種電源對輸送電路沒(méi)有太苛刻的要求。但是在一些傳輸大電流的工業(yè)設備中，電源輸送系統會(huì )對連接其上或靠近該電源的設備造成一定的影響。

　　圖5 筆記本電腦的電壓和電流波形

　　壓力和邊緣檢測

　　評估系統中輸入信號或者傳感器采集到的信號的質(zhì)量是非常有必要的，這是設計驗證過(guò)程的一部分。但是，實(shí)際測試時(shí)，有時(shí)候您可能等待很長(cháng)一段時(shí)間之后，傳感器才輸出一個(gè)“壞”信號，客戶(hù)往往不會(huì )給我們那么多的時(shí)間去現場(chǎng)驗證。此時(shí)，我們就可以用信號發(fā)生器仿真一個(gè)波形，調整波形的頻率、幅值、上升下降時(shí)間、占空比等參數，測試設備對這些信號的響應。

　　當然，許多輸入信號并不是標準的正弦波、方波和脈沖。對于復雜波形，PicoScope 有內置的任意信號發(fā)生器，可以將實(shí)際中會(huì )出現的異常波形，例如，抖動(dòng)、噪音、相位和頻率的改變等重新發(fā)送出來(lái)，模擬一個(gè)最糟糕的操作環(huán)境，從而檢查設備是否能夠對所有的信號進(jìn)行正確的響應。

　　首先，用一個(gè)示波器通道將任意信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形采集下來(lái)，然后導入AWG緩存中，設置帶產(chǎn)生信號的振幅、頻率等參數，然后輸出該信號。圖6 顯示了一個(gè)PicoScope 6 捕捉的串行數據流，添加少許毛刺到波形中，然后從AWG中輸出——完成整個(gè)過(guò)程只需要幾秒的時(shí)間。

　　圖6 任意信號發(fā)生器

　　我們是一個(gè)團隊!

　　一個(gè)工程師設計一個(gè)完整產(chǎn)品的情況并不多見(jiàn)，一般情況下一項產(chǎn)品是由一個(gè)工程師團隊合作研發(fā)的，其中有人負責FPGA代碼和固件的設計，有人負責驅動(dòng)，產(chǎn)品包裝等。一旦問(wèn)題出現，團隊的所有工程師都能夠查看測試數據，修復各自負責模塊的bug. 工程師可以發(fā)送屏幕截圖或者CSV數據文件共享測試數據，當然，這是最基礎的。PicoScope軟件沒(méi)有license限制，可以運行在任何一臺電腦上，所以工程師可以將現場(chǎng)采集的原始數據發(fā)送回設計團隊，他們可以用PicoScope來(lái)軟件進(jìn)行詳細的數據分析，定位設計缺陷、建議額外的測試或者添加到新的AWG文件庫中。所以團隊間協(xié)作有助于快速判斷問(wèn)題根源，從而找到解決問(wèn)題的辦法。