使用集成示波器，讓五項常見調試任務更高效

　　隨著復雜性不斷上升，實踐證明，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，調試當今設計要求在混合域環境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數字信號、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。在示波器用戶調查中，我們發現，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：

　　● 數字電壓表87%

　　● 函數發生器68%

　　● 頻譜分析儀45%

　　● 邏輯分析儀33%

　　● 協議分析儀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。為滿足這一需求，測試設備制造商現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、協議分析儀、任意函數發生器和數字電壓表（DVM）。而這樣一臺儀器在實踐中怎樣工作呢？它真能替代多***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需求和要求變化 - 一定要仔細查看技術數據表，并與預計應用進行對比。而隨著價格下降，達到“標準”數字示波器的水平，同時隨著無線技術在嵌入式系統中普及，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

　?。?‘’ display： 9‘‘顯示器

　?。狿rotocol decode & application modules： 協議解碼和應用模塊

　?。狣edicated 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條數字通道

　　＊Arbitrary Function Generator： 任意函數發生器

　　＊Oscilloscope and DVM inputs： 示波器和DVM輸入

　　查找異常信號

　　發現和捕獲異常信號可能是調試過程中最困難的挑戰之一。僅一個信號上微弱的或偶爾發生的異常事件，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，可以幫助確認信號上存在偶發異常事件，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。

　　為在探測設計時發現異常信號，并了解異常事件發生的頻次，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，溫度顯示技術用紅色表示發生最頻繁的信號，用藍色表示發生最不頻繁的信號。在這個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，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，可以檢查長采集數據。但是，手動導航長信號采集可能會非常繁瑣，而且容易出錯。在手動滾動數百萬個數據點時，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，欠幅脈沖觸發設置被復制到自動搜索設置中，我們發現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，用戶可以關聯以這種速度發生的事件，隔離異常信號的成因。

　　檢驗串行和并行總線設計

　　為調試嵌入式系統，包括同時擁有并行總線和串行總線的系統，集成示波器提供了多種實用工具，包括處理串行總線的協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后，如數字門限電平和和串行信號配置，示波器自動解碼總線數據，避免了手動解碼總線數據，節省幾個小時的時間，減少昂貴的錯誤。

　　這條SPI 串行總線驅動著一個串行到并行轉換器。為了檢驗串行總線和并行總線之間的時序關系，數字通道采集了8個并行總線信號。在定義幾個總線參數后，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，串行總線數據和并行總線數據之間的時序關系變得很明顯。在大多數情況下，并行總線值會被設置成傳送串行數據包之后的串行總線數據值。

　　為簡化調試任務，可以設置串行觸發，穩定顯示，捕獲特定串行事件。在這種情況下，我們把觸發設置成每次在串行總線上傳送十六進制數據值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： 串行觸發捕獲B0十六進制數據包，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試。在這個實例中，我們在探測電路板時，發現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字鍵盤，用來設置這些參數及其他RF參數。然后我們慢慢把近場EMI環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，監測隨時間變化。在本例中，信號表現得相當穩定。在檢查FPGA布線后，我們確定信號對應100 MHz以太網時鐘的九階諧波，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。信號發生器為創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CAN信號，然后把它加載到集成任意波形/函數發生器的編輯內存中。

　　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，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，查找開始變化或消失的數據包，表明誤碼，如圖5所示。

　　通過監測接收機解碼后的輸出，我們發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，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轉換器的輸入電壓（黃色）和電流（藍色）。然后我們打開4位DVM，監測DC輸出電壓。DVM顯示畫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，安全作業區測量可以自動監測各種輸入和負載條件下的開關行為，執行通過/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

　　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線功能。當今正在生產或正在開發的大多數系統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帶來的便利。測試這些系統意味著設計人員必須能夠在混合域環境中工作，從DC到RF，包括模擬信號和數字信號、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試和檢驗任務，從檢測放射EMI的來源到驗證開關電源設計。