是德科技示波器進(jìn)行多域測量在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)
在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中，通常需要同時(shí)監(jiān)測時(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)階段令人頭痛的問題。
通?？梢允褂脭?shù)字是德科技示波器分析這些信號(hào)所產(chǎn)生的問題，但是大多數(shù)開發(fā)人員卻試圖尋找其它的儀器。雖然終可能完成了工作，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)。
本文介紹的是德科技示波器擁有多個(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是德科技示波器查看和調(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)頻譜可以測量，從而可以測量某個(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。是德科技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)代是德科技示波器實(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)過程速度較慢。數(shù)字下變頻(DDC)解決了這一問題，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。在某些是德科技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) 大的檢測功能。通過選通方式進(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。
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，還必須了解是德科技示波器的動(dòng)態(tài)范圍。高動(dòng)態(tài)范圍、無雜散信號(hào)等特點(diǎn)對(duì)于正確地進(jìn)行時(shí)域采樣并將其轉(zhuǎn)換至頻域至關(guān)重要。是德科技示波器的動(dòng)態(tài)范圍不可避免地取決于是德科技示波器模數(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，是德科技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)帶來噪聲，進(jìn)一步劣化總體ENOB。因此，為了實(shí)現(xiàn)可測量動(dòng)態(tài)范圍的大化，必須綜合考慮整個(gè)信號(hào)采樣鏈上的全部組件。
大量是德科技示波器采用多個(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)帶來交織雜散信號(hào)，以及與整個(gè)采樣系統(tǒng)中速度低的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)精確頻譜信息的測量更加困難。了解頻率信號(hào)采樣通道的無雜散動(dòng)態(tài)范圍，可以 有助于獲得理想的測量結(jié)果。
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。一些是德科技示波器的設(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)減小是德科技示波器的帶寬。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。
觸發(fā)和采樣
多域調(diào)試和分析的后一個(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?？梢哉页鰡栴}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。
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，必須使頻率模板測試，其工作的方式與大多數(shù)常見是德科技示波器的時(shí)域模板相同。如果某個(gè)頻域信號(hào)進(jìn)入(干擾)該模板，則是德科技示波器可以簡單地停 止采樣，并通過頻率、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測試，對(duì)于 模板違規(guī)事件可以做進(jìn)一步分析。
實(shí)時(shí)是德科技示波器
復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)通常存在大量的測試和調(diào)試問題。這些問題的解決要求高速、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)是德科技示波器平臺(tái)是一種良好的工 具。但是，所選是德科技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，為解決問題和設(shè)計(jì)調(diào)試共同 提供了一種更快、更簡便的方法。
按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類
①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。
②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對(duì)直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。
③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。
④多蹤示波器。具有電子開關(guān)和門控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。
⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。
⑥記憶示波器。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測試。
⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過鍵盤操作，可對(duì)捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。
北京凡實(shí)測控代理普源代理商、泰克代理商、是德代理商、安捷倫代理商、固緯代理商、橫河代理商、泰克示波器、安捷倫示波器、示波器等品牌產(chǎn)品。公司業(yè)務(wù)涉及產(chǎn)品銷售、維修、租賃和系統(tǒng)集成，產(chǎn)品報(bào)價(jià)低，品質(zhì)保證，公司具有完善的售前售后服務(wù)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)。公司名稱：北京凡實(shí)測控技術(shù)有限公司
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