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如何采用數(shù)字示波器進(jìn)行多域測(cè)量？
2017-11-10
在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中，通常需要同時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)域和頻域中的多個(gè)信號(hào)。盡管基帶數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)和模擬信號(hào)是相互關(guān)聯(lián)和依存的，但是基于傳統(tǒng)的調(diào)試方法，人們常常無(wú)法描述或捕捉它們之間的關(guān)系。采用微控制器實(shí)現(xiàn)的RF信號(hào)反饋控制、低速串行總線、嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，以及RF和數(shù)字信號(hào)之間電磁干擾等都是原型設(shè)計(jì)階段令人頭痛的問(wèn)題。
通?？梢允褂?a href="http://rengken.cn/product/oscilloscope/">數(shù)字示波器分析這些信號(hào)所產(chǎn)生的問(wèn)題，但是大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員卻試圖尋找其它的儀器。雖然最終可能完成了工作，但是卻花費(fèi)了大量時(shí)間，還需要非常豐富經(jīng)驗(yàn)。將模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)的測(cè)試功能整合在一臺(tái)儀器中，可以降低對(duì)不同設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需要的時(shí)間和專家經(jīng)驗(yàn)。
本文介紹的示波器擁有多個(gè)模擬通道(既可用于時(shí)域又可用于頻域)和數(shù)字通道(用于邏輯分析和協(xié)議分析)。本文描述如何利用該示波器查看和調(diào)試系統(tǒng)中的不同信號(hào)，以及共同作用使得該系統(tǒng)可以正常工作的大量關(guān)鍵因素。
對(duì)于大量新型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，頻域分析是一種關(guān)鍵的調(diào)試功能。但是，頻域分析必須與時(shí)域、數(shù)字信號(hào)或邏輯通道保持嚴(yán)密的同步。頻譜分析對(duì)調(diào)試工作的價(jià)值通常取決于分析速度(更新速度)，因此信號(hào)的捕捉和發(fā)現(xiàn)極富挑戰(zhàn)性。此外，儀器還必須具備足夠高的頻域和時(shí)域靈敏度，以便能夠捕捉到信號(hào)，如因電磁干擾或其它干擾所產(chǎn)生的頻域雜散信號(hào)等微小信號(hào)。為了獲得可以用來(lái)調(diào)試支持多種信號(hào)類型的復(fù)雜系統(tǒng)的有價(jià)值信息，必須基于時(shí)間事件、頻率事件或數(shù)字碼型實(shí)現(xiàn)精確觸發(fā)。
快速傅立葉變換
任何信號(hào)都是關(guān)于時(shí)間和幅值的函數(shù)。因此，不僅需要捕捉信號(hào)幅值，而且還要捕捉信號(hào)如何隨時(shí)間而變化。傅立葉變換是將時(shí)域函數(shù)變換成頻域頻譜的主要技術(shù)。該變換可以為從某個(gè)時(shí)域波形中采樣的信號(hào)給出某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頻譜快照。它使得瞬時(shí)頻譜可以測(cè)量，從而可以測(cè)量某個(gè)信號(hào)在任何時(shí)刻的頻率分量。據(jù)此，可以觀察頻譜隨時(shí)間而發(fā)生的變化，了解什么時(shí)候存在以及什么時(shí)候不存在干擾，時(shí)域事件和頻域事件之間是如何關(guān)聯(lián)的。
在離散傅立葉(DFT)變換中，一定數(shù)量時(shí)域信號(hào)樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的頻率樣點(diǎn)，每一個(gè)頻率樣點(diǎn)都由時(shí)域樣點(diǎn)通過(guò)算法函數(shù)計(jì)算得出?？焖俑盗⑷~(FFT)變換是一種實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換的高效方法。該方法類似于離散傅立葉變換，可以將一定數(shù)量的離散采樣變換至頻域。示波器通常利用快速傅立葉變換的采樣技術(shù)，將時(shí)域采樣變換至頻域。
大多數(shù)現(xiàn)代示波器實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)快速傅立葉變換方法存在一個(gè)限制，盡管人們只對(duì)一部分頻率范圍感興趣，但是，F(xiàn)FT的計(jì)算過(guò)程是針對(duì)整個(gè)采樣信息進(jìn)行的。這種計(jì)算方法效率低下，使得整個(gè)過(guò)程速度較慢。數(shù)字下變頻(DDC)解決了這一問(wèn)題，其方法是將目標(biāo)頻帶寬度下變頻至基帶并以較低采樣率對(duì)其重新采樣，實(shí)現(xiàn)了在小得多的記錄長(zhǎng)度上進(jìn)行快速傅立葉變換。因此，其計(jì)算速度更快、更加接近實(shí)時(shí)性能，也具備更高靈活性。這種靈活性通?？梢赞D(zhuǎn)變成多域調(diào)試應(yīng)用中所要求的功能。除此之外，由于實(shí)際變換是在基帶頻率上完成的，因此，這種方法還可以實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣的優(yōu)點(diǎn)。這進(jìn)一步改善了在目標(biāo)頻帶寬度上的信噪比。
由于FFT頻譜產(chǎn)生于原始的時(shí)域信號(hào)，因此通過(guò)對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和頻率上的分析，可以獲得大量的有用信息。某個(gè)信號(hào)在時(shí)域中可能是穩(wěn)定和正確的，在頻域分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)噪聲變大、未知的雜散信號(hào)以及其他在時(shí)域分析中不易發(fā)現(xiàn)的異常事件。在某些示波器上還可以使用時(shí)域選通分析功能。借助該功能，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的檢測(cè)功能。通過(guò)選通方式進(jìn)行FFT變換或者限制在某個(gè)時(shí)間記錄的特定位置作FFT，可以在指定的時(shí)間點(diǎn)觀察傅立葉變換，從而有助于確定產(chǎn)生問(wèn)題的時(shí)間點(diǎn)。獲得了干擾信號(hào)的周期或頻率之后，可以更加準(zhǔn)確、快速排除差錯(cuò)或者故障。
最后需要指出的是，不將頻譜分析限制在某個(gè)特定單一通道上通常也是非常重要的。某些情況下，事件可能影響多個(gè)通道的信號(hào)，對(duì)多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行頻譜分析可以提供更多的測(cè)試信息。如在時(shí)間上相互關(guān)聯(lián)的被干擾信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜分析視圖可以為問(wèn)題分析提供有力證據(jù)。
動(dòng)態(tài)范圍
合適地利用FFT實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析，還必須了解示波器的動(dòng)態(tài)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍、無(wú)雜散信號(hào)等特點(diǎn)對(duì)于正確地進(jìn)行時(shí)域采樣并將其轉(zhuǎn)換至頻域至關(guān)重要。示波器的動(dòng)態(tài)范圍不可避免地取決于示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能及其有效位數(shù)(ENOB)。有效位數(shù)越多，動(dòng)態(tài)范圍越高，信噪比(SNR)越大，精度越好。理想ADC可以將給定電壓轉(zhuǎn)換至2K個(gè)量化等級(jí)之一；其中，對(duì)于8位ADC，K為8，其對(duì)應(yīng)的量化等級(jí)有256個(gè)。然而，ADC存在偏置誤差和增益誤差、非線性誤差和噪聲，這些均會(huì)影響其動(dòng)態(tài)范圍，從而，使得其有效位數(shù)由8降至4至7之間的某個(gè)值。此外，示波器也不僅僅只包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它還有前端放大器和濾波器等，這些組件都會(huì)帶來(lái)噪聲，進(jìn)一步劣化總體ENOB。因此，為了實(shí)現(xiàn)可測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的最大化，必須綜合考慮整個(gè)信號(hào)采樣鏈上的全部組件。
大量示波器采用多個(gè)低速ADC的交織采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)高采樣率。但是，這種方法會(huì)帶來(lái)交織雜散信號(hào)，以及與整個(gè)采樣系統(tǒng)中速度最低的ADC的采樣率相關(guān)的頻率分量。這些頻率分量及其能量進(jìn)入儀器后，會(huì)形成更強(qiáng)、更多的雜散信號(hào)，使得針對(duì)精確頻譜信息的測(cè)量更加困難。了解頻率信號(hào)采樣通道的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，可以有助于獲得理想的測(cè)量結(jié)果。
最后需要指出的是，整體靈敏度或者模擬前端放大器的增益倍數(shù)對(duì)于頻譜分析通道處理小信號(hào)(例如，電磁干擾所產(chǎn)生的那些信號(hào))的靈敏度具有決定性作用。一些示波器的設(shè)置可以小至1mv/格。但是這些設(shè)置可能是基于放大顯示而非真正的放大器增益，因此它們可能存在放大誤差，并且可能會(huì)減小示波器的帶寬。為了觀察電磁干擾以及其它干擾信號(hào)對(duì)帶寬的可能影響，必須將放大器的增益下調(diào)至1mV/格。增益為1mv/格的優(yōu)質(zhì)放大器可以提高對(duì)微小信號(hào)作FFT分析時(shí)的觀察能力。
圖1：采用選通FFT的數(shù)字示波器和多同步域顯示功能的屏幕截圖觸發(fā)和采樣
多域調(diào)試和分析的最后一個(gè)難點(diǎn)是不同域之間跨域的觸發(fā)和采集機(jī)制?？鐣r(shí)域和頻域采取數(shù)據(jù)的能力對(duì)于在設(shè)計(jì)工作中縮小問(wèn)題范圍是至關(guān)重要的。
大量工程師不由自主地傾向于使用傳統(tǒng)的時(shí)域信號(hào)觸發(fā)。這些觸發(fā)信號(hào)可能包括邊沿、窗口、矮脈沖(runt)和其它波形。盡管它們可能很容易設(shè)定，但是用于觀察跨域問(wèn)題時(shí)，基于它們的觸發(fā)方式通常缺乏穩(wěn)定性和可重復(fù)性?；谀M或邏輯通道的觸發(fā)(例如，碼型觸發(fā))，可以有助于縮小捕獲某個(gè)異常的范圍。串行總線協(xié)議觸發(fā)也可以用于分析例如CRC錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)包受損等異常事件。利用這些觸發(fā)技術(shù)可以可靠地在屏幕上重現(xiàn)相應(yīng)的錯(cuò)誤，以進(jìn)行更加深入的分析。采用頻域視圖觀察受損信號(hào)或疑似干擾信號(hào)，通常可以找出問(wèn)題的原因。如果某個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)頻率為100MHz，如存在不定期影響該時(shí)鐘信號(hào)諧波頻率的突發(fā)頻率干擾，則可能出現(xiàn)鎖存失敗或者對(duì)系統(tǒng)的其它影響。
最后需要指出的是，采用頻域觀察，可以更加容易地發(fā)現(xiàn)某些影響；而且某些時(shí)候這些影響只能通過(guò)頻域觀察才能發(fā)現(xiàn)。為了定位某個(gè)信號(hào)中導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)的、使寬帶噪聲隨機(jī)變大的原因，必須使頻率模板測(cè)試，其工作的方式與大多數(shù)常見(jiàn)示波器的時(shí)域模板相同。如果某個(gè)頻域信號(hào)進(jìn)入(干擾)該模板，則示波器可以簡(jiǎn)單地停止采樣，并通過(guò)頻率、時(shí)間回放或者同時(shí)進(jìn)行兩者回放以解析事件、找出其根本原因。此外，這些模板也可以設(shè)置為精確的dBm條件，用于模擬EMI測(cè)試，對(duì)于模板違規(guī)事件可以做進(jìn)一步分析。
實(shí)時(shí)示波器
復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)通常存在大量的測(cè)試和調(diào)試問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決要求高速、高靈敏度地同步進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。對(duì)于該任務(wù)，實(shí)時(shí)示波器平臺(tái)是一種良好的工具。但是，所選示波器必須擁有合適的硬件電路和相關(guān)工具，以完成合適的多域調(diào)試。模擬通道FFT不受通道數(shù)量的限制，是一種極好的選擇。但是，它們必須可以足夠快速地進(jìn)行FFT才能具有可使用性，實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣、提高信噪比，以達(dá)到相當(dāng)于譜頻分析儀的動(dòng)態(tài)范圍。優(yōu)良的前端、高ENOB的A/D轉(zhuǎn)換以及大動(dòng)態(tài)范圍十分重要，與大增益前端放大器對(duì)于小信號(hào)測(cè)量的重要性類似?？缬蛴|發(fā)能力將這些功能或特點(diǎn)結(jié)合在一起，為解決問(wèn)題和設(shè)計(jì)調(diào)試共同提供了一種更快、更簡(jiǎn)便的方法。
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