采用數(shù)字示波器進(jìn)行多域測(cè)量

1、采用數(shù)字示波器進(jìn)行多域測(cè)量在復(fù)雜的系統(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)、信號(hào)和模擬信號(hào)是互相關(guān)聯(lián)和依存的，但是基于傳統(tǒng)的調(diào)試辦法，人們經(jīng)常無法描述或捕獲它們之間的關(guān)系。采納微控制器實(shí)現(xiàn)的rf信號(hào)反饋控制、低速串行、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)階段令人頭痛的問題。通?？梢杂梅〝?shù)字分析這些信號(hào)所產(chǎn)生的問題，但是大多數(shù)開發(fā)人員卻試圖尋覓其它的儀器。雖然終于可能完成了工作，但是卻花費(fèi)了大量時(shí)光，還需要十分豐盛閱歷。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)光和專家閱歷。本文介紹的示波器擁有多個(gè)模

2、擬通道(既可用于時(shí)域又可用于頻域)和數(shù)字通道(用于規(guī)律分析和協(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)來說，頻域分析是一種關(guān)鍵的調(diào)試功能。但是，頻域分析必需與時(shí)域、數(shù)字信號(hào)或規(guī)律通道保持嚴(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)的捕獲和發(fā)覺極富挑戰(zhàn)性。此外，儀器還必需具備足夠高的頻域和時(shí)域敏捷度，以便能夠捕獲到信號(hào)，如因電磁干擾或其它干擾所產(chǎn)生的頻域雜散信號(hào)等極小信號(hào)。為了獲得可以用來調(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，必需基于時(shí)光大事、頻率大事或數(shù)字碼型實(shí)現(xiàn)精確觸

3、發(fā)。迅速傅立葉變換任何信號(hào)都是關(guān)于時(shí)光和幅值的函數(shù)。因此，不僅需要捕獲信號(hào)幅值，而且還要捕獲信號(hào)如何隨時(shí)光而變幻。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)光點(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)刻的頻率重量。據(jù)此，可以觀看頻譜隨時(shí)光而發(fā)生的變幻，了解什么時(shí)候存在以及什么時(shí)候不存在干擾，時(shí)域大事和頻域大事之間是如何關(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)通過算法函數(shù)計(jì)算得出。迅速傅立葉(fft)變換是一種實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換的高效辦法。該辦法類

4、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。示波器通常利用迅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)迅速傅立葉變換辦法存在一個(gè)限制，盡管人們只對(duì)一部分頻率范圍感愛好，但是，fft的計(jì)算過程是針對(duì)囫圇采樣信息舉行的。這種計(jì)算辦法效率低下，使得囫圇過程速度較慢。數(shù)字下變頻(ddc)解決了這一問題，其辦法是將目標(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)度上舉行迅速傅立葉變換。因此，其計(jì)算速度更快、越發(fā)臨近實(shí)時(shí)性能，也具備更高靈便性。這種靈便性通?？梢愿淖兂啥嘤蛘{(diào)試應(yīng)用中所要求的功能。除此之外，因?yàn)閷?shí)際變換是在基帶頻率上完成的，

5、因此，這種辦法還可以實(shí)現(xiàn)過采樣的優(yōu)點(diǎn)。這進(jìn)一步充實(shí)了在目標(biāo)頻帶寬度上的信噪比。因?yàn)閒ft頻譜產(chǎn)生于原始的時(shí)域信號(hào)，因此通過對(duì)同一信號(hào)舉行時(shí)光和頻率上的分析，可以獲得大量的實(shí)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)覺噪聲變大、未知的雜散信號(hào)以及其他在時(shí)域分析中不易發(fā)覺的異樣大事。在某些示波器上還可以用法時(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。通過選通方式舉行 fft 變換或者限制在某個(gè)時(shí)光記錄的特定位置作fft，可以在指定的時(shí)光點(diǎn)觀看傅立葉變換，從而有助于確定產(chǎn)生問題的時(shí)光點(diǎn)。獲得了干擾信號(hào)的周期或頻率之后，可以越發(fā)精確、迅速排解差錯(cuò)或者故障。最后需要指出的

6、是，不將頻譜分析限制在某個(gè)特定單一通道上通常也是十分重要的。某些狀況下，大事可能影響多個(gè)通道的信號(hào)，對(duì)多個(gè)通道同時(shí)舉行頻譜分析可以提供更多的測(cè)試信息。如在時(shí)光上互相關(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，還必需了解示波器的動(dòng)態(tài)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍、無雜散信號(hào)等特點(diǎn)對(duì)于正確地舉行時(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)范圍不行避開地取決于示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器()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。抱負(fù)adc可以將給定轉(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)

7、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，它還有前端和等，這些組件都會(huì)帶來噪聲，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，必需綜合考慮囫圇信號(hào)采樣鏈上的所有組件。大量示波器采納多個(gè)低速adc的交織采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)高采樣率。但是，這種辦法會(huì)帶來交織雜散信號(hào)，以及與囫圇采樣系統(tǒng)中速度最低的adc的采樣率相關(guān)的頻率重量。這些頻率重量及其能量進(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)量越發(fā)困難。了解頻率信號(hào)采樣通道的無

8、雜散動(dòng)態(tài)范圍，可以有助于獲得抱負(fù)的測(cè)量結(jié)果。最后需要指出的是，整體敏捷度或者放大器的增益倍數(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))的敏捷度具有打算性作用。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。為了觀看電磁干擾以及其它干擾信號(hào)對(duì)帶寬的可能影響，必需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)極小信號(hào)作fft分析時(shí)的觀看能力。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?qū)嵭袛?shù)據(jù)的能力對(duì)于在設(shè)計(jì)工作中縮小問題范

9、圍是至關(guān)重要的。大量工程師情不自禁地傾向于用法傳統(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。盡管它們可能很簡(jiǎn)單設(shè)定，但是用于觀看跨域問題時(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或規(guī)律通道的觸發(fā)(例如，碼型觸發(fā))，可以有助于縮小捕捉某個(gè)異樣的范圍。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)包受損等異樣大事。利用這些觸發(fā)技術(shù)可以牢靠地在屏幕上重臨相應(yīng)的錯(cuò)誤，以舉行越發(fā)深化的分析。采納頻域視圖觀看受損信號(hào)或疑似干擾信號(hào)，通常可以找出問題的緣由。假如某個(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

10、浮現(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，采納頻域觀看，可以越發(fā)簡(jiǎn)單地發(fā)覺某些影響；而且某些時(shí)候這些影響只能通過頻域觀看才干發(fā)覺。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)變大的緣由，必需使頻率模板測(cè)試，其工作的方式與大多數(shù)常見示波器的時(shí)域模板相同。假如某個(gè)頻域信號(hào)進(jìn)入(干擾)該模板，則示波器可以容易地停止采樣，并通過頻率、時(shí)光回放或者同時(shí)舉行兩者回放以解析大事、找出其根本緣由。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)大事可以做進(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)試問題。這些問題的解決要求高速、高敏捷度地同步舉行時(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，所選示波器必需擁有合適的硬件和相關(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，是一種極好的挑選。但是，它們必