使用集成示波器，讓五項(xiàng)常見調(diào)試任務(wù)更高效

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

　　而且，調(diào)試當(dāng)今設(shè)計(jì)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(yuǎn)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，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，工程師稱，他們每個(gè)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(jì)工作臺的儀器 - 必需為設(shè)計(jì)人員提供一套更完善的功能和特性，支持高效檢驗(yàn)和調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)。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(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。

　　市場上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(nèi)內(nèi)置到示波器中的獨(dú)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(shí)踐中怎樣工作呢？它真能替代多臺獨(dú)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(xiàng)常見任務(wù)，包括：

　　1.查找異常信號

　　2.檢驗(yàn)串行和并行總線設(shè)計(jì)

　　3.搜索噪聲源

　　4.使用帶噪聲的信號進(jìn)行余量測試

　　5.驗(yàn)證開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　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(xì)查看技術(shù)數(shù)據(jù)表，并與預(yù)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行對比。而隨著價(jià)格下降，達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)字示波器的水平，同時(shí)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(gè)便攜式包裝中提供了六臺儀器。

　?。猆ser interface selectable in 11 languages: 用戶界面有11種語言可供選擇

　?。?'' display: 9'‘顯示器

　?。狿rotocol 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

　?。?6 digital channels: 16條數(shù)字通道

　?。狝rbitrary Function Generator: 任意函數(shù)發(fā)生器

　?。狾scilloscope 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)試過程中困難的挑戰(zhàn)之一。僅一個(gè)信號上微弱的或偶爾發(fā)生的異常事件，都可能會直接決定設(shè)計(jì)能否可靠運(yùn)行。

　　通常情況下，在探測電路板上的信號時(shí)，在波形上偶爾會看到微弱的光跡，表明偶爾出現(xiàn)的、非預(yù)計(jì)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(rèn)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(gè)信號時(shí)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(jì)時(shí)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(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)生頻繁的信號，用藍(lán)色表示發(fā)生不頻繁的信號。在這個(gè)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(lán)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，可能會漏掉關(guān)心的事件。在手動導(dǎo)航信號時(shí)，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(shí)點(diǎn)。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(gè)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(gè)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(yàn)串行和并行總線設(shè)計(jì)

　　為調(diào)試嵌入式系統(tǒng)，包括同時(shí)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(shí)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(jì)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(gè)信號。

　　在簡單地定義幾個(gè)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(gè)小時(shí)的時(shí)間，減少昂貴的錯誤。

　　這條SPI 串行總線驅(qū)動著一個(gè)串行到并行轉(zhuǎn)換器。為了檢驗(yàn)串行總線和并行總線之間的時(shí)序關(guān)系，數(shù)字通道采集了8個(gè)并行總線信號。在定義幾個(gè)總線參數(shù)后，并行總線被自動解碼和顯示。示波器可以解碼和顯示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(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)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)，并行總線值沒有變化。進(jìn)一步調(diào)查顯示，設(shè)計(jì)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(jìn)制數(shù)據(jù)包，混合信號顯示穩(wěn)定化。

　　搜索嵌入式設(shè)計(jì)中的噪聲來源

　　另一項(xiàng)常見任務(wù)是追蹤設(shè)計(jì)中的噪聲來源。集成頻譜分析儀可以使用一臺儀器進(jìn)行混合域調(diào)試。在這個(gè)實(shí)例中，我們在探測電路板時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)頻率非常高的信號騎在其中一個(gè)低頻信號上。通過使用時(shí)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(gè)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處的信號電平。我們在FPGA時(shí)鐘發(fā)生器電路輸出處找到強(qiáng)的信號，如圖4所示。

　　圖4: 在FPGA處檢測到強(qiáng)900 MHz輻射。

　　為進(jìn)一步進(jìn)行分析，可以使用三維頻譜圖，監(jiān)測隨時(shí)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(shí)鐘的九階諧波，電路板布線不良給設(shè)計(jì)中的其他信號帶來了磁性耦合。

　　使用帶噪聲的信號進(jìn)行余量測試

　　余量測試是另一項(xiàng)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，可以用來對某個(gè)設(shè)計(jì)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總線串行接收機(jī)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(jī)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(jī)的串行輸出，并顯示解碼后的串行輸出。在這個(gè)例子中，增加一個(gè)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(jī)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(jī)解碼后的輸出，我們發(fā)現(xiàn)接收機(jī)設(shè)計(jì)可以很好地處理約為串行信號幅度40%的噪聲電平，而在噪聲電平達(dá)到信號幅度的45-50%時(shí)，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(yàn)接收機(jī)設(shè)計(jì)中的噪聲余量。

　　圖5: 捕獲串行接收機(jī)輸出上漏掉的串行數(shù)據(jù)包，表明誤碼。

　　驗(yàn)證開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　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(gè)實(shí)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(gè)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(lán)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(jì)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(lán)色顯示。

　　另一個(gè)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(gè)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(lán)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。

　　，安全作業(yè)區(qū)測量可以自動監(jiān)測各種輸入和負(fù)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(shí)功率電平與器件的額定值，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，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(jì)至少包括一種形式的無線功能，如Wi-Fi、藍(lán)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(fèi)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(jì)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(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的調(diào)試和檢驗(yàn)任務(wù)，從檢測放射EMI的來源到驗(yàn)證開關(guān)電源設(shè)計(jì)。