打破傳統(tǒng) 巧用示波器實現(xiàn)多域信號測量

　　
　　本文使用了擁有多模擬通道和數(shù)字通道的示波器來進(jìn)行講解，將介紹如何利用該示波器查看和調(diào)試系統(tǒng)中的不同信號，以及使得該系統(tǒng)可以正常工作的大量關(guān)鍵因素。
　　
　　傅立葉變換
　　
　　在示波器當(dāng)中，對信號的幅值進(jìn)行捕捉并不是最重要的，由于信號都是與時間和幅值有關(guān)的函數(shù)，所以重要的是，要知道捕捉信號如何隨時間而變化。傅立葉變換是將時域函數(shù)變換成頻域頻譜的主要技術(shù)。該變換可以為某個時域波形中采樣的信號給出時間點(diǎn)的頻譜快照。它使得瞬時頻譜可以測量，從而可以測量某個信號在任何時刻的頻率分量。據(jù)此，可以觀察頻譜隨時間而發(fā)生的變化，了解什么時候存在干擾以及什么時候不存在干擾，時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)量時域信號樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成頻率樣點(diǎn)，每一個頻率樣點(diǎn)都由時域樣點(diǎn)通過算法函數(shù)計算得出?？焖俑盗⑷~(FFT)變換是一種實現(xiàn)離散變換的高效方法?？梢詫⒁欢〝?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)，將時域采樣變換至頻域。
　　
　　值得注意的是，目前很多示波器在對快速傅立葉變換進(jìn)行實現(xiàn)時，都存在一個極限問題。盡管人們只對一部分頻率范圍感興趣。但是，F(xiàn)FT的計算過程是針對整個采樣信息進(jìn)行的。這種計算方法效率低下，使得整個過程速度較慢。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，并以較低采樣率對其重新采樣，實現(xiàn)了在小得多的記錄長度上進(jìn)行快速傅立葉變換。因此，其計算速度更快、更加接近實時性能，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，由于實際變換是在基帶頻率上完成的，因此，這種方法還可以實現(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)生于原始的時域信號，因此通過對同一信號進(jìn)行時間和頻率上的分析，可以獲得大量的有用信息。某個信號在時域中可能是穩(wěn)定和正確的，在頻域分析時可以發(fā)現(xiàn)噪聲變大、未知的雜散信號以及其他在時域分析中不易發(fā)現(xiàn)的異常事件。在某些示波器上還可以使用時域選通分析功能。借助該功能，可以實現(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時間記錄的特定位置作FFT，可以在指定的時間點(diǎn)觀察傅立葉變換，從而有助于確定產(chǎn)生問題的時間點(diǎn)。獲得干擾信號的周期或頻率之后，可以更加準(zhǔn)確、快速排除差錯或者故障。
　　
　　這里有一點(diǎn)需要說明，在對頻譜進(jìn)行分析時，不要將其束縛在固定的通道上進(jìn)行。因為在某些情況下，事件可能影響多個通道的信號，對多個通道同時進(jìn)行頻譜分析可以提供更多的測試信息。如在時間上相互關(guān)聯(lián)的被干擾信號和干擾信號的頻譜分析視圖可以為問題分析提供有力證據(jù)。
　　
　　動態(tài)范圍
　　
　　如果想要實現(xiàn)采用FFT的信號來進(jìn)行分析，就一定要掌握示波器的動態(tài)范圍。高動態(tài)范圍、無雜散信號等特點(diǎn)。對于正確地進(jìn)行時域采樣并將其轉(zhuǎn)換至頻域至關(guān)重要。示波器的動態(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個量化等級之一。其中，對于8位ADC，K為8，其對應(yīng)的量化等級有256個。然而，ADC存在偏置誤差、增益誤差、非線性誤差、噪聲等這些問題，這些均會影響其動態(tài)范圍，從而，使得其有效位數(shù)由8位降至4至7位之間的某個值。此外，示波器也不僅僅只包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它還有前端放大器和濾波器等，這些組件都會帶來噪聲，進(jìn)一步劣化總體ENOB。因此，為了實現(xiàn)可測量動態(tài)范圍的最大化，必須綜合考慮整個信號采樣鏈上的全部組件。
　　
　　大量示波器采用多個低速ADC的交織采樣技術(shù)實現(xiàn)高采樣率。但是，這種方法會帶來交織雜散信號，以及與整個采樣系統(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，會形成更強(qiáng)、更多的雜散信號，使得針對精確頻譜信息的測量更加困難。了解頻率信號采樣通道的無雜散動態(tài)范圍，可以有助于獲得理想的測量結(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)，對于頻譜分析通道處理小信號(例如，電磁干擾所產(chǎn)生的那些信號)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，并且可能會減小示波器的帶寬。為了觀察電磁干擾以及其它干擾信號對帶寬的可能影響，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)放大器可以提高對微小信號作FFT分析時的觀察能力。
　　
　　觸發(fā)和采樣
　　
　　觸發(fā)和采樣可以說是多域測量的最后的一個難點(diǎn)?？鐣r域和頻域采取數(shù)據(jù)的能力對于在設(shè)計工作中縮小問題范圍是至關(guān)重要的。
　　
　　在這里，仍舊有很多工程師習(xí)慣性的選擇使用傳統(tǒng)的時域信號觸發(fā)。這些觸發(fā)信號可能包括邊沿、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，基于它們的觸發(fā)方式通常缺乏穩(wěn)定性和可重復(fù)性。基于模擬或邏輯通道的觸發(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)可以在屏幕上重現(xiàn)相應(yīng)的錯誤，以進(jìn)行更加深入的分析。采用頻域視圖觀察受損信號或疑似干擾信號，通?？梢哉页鰡栴}的原因。如果某個時鐘信號的設(shè)計頻率為100MHz，如存在不定期影響該時鐘信號諧波頻率的突發(fā)頻率干擾，則可能出現(xiàn)鎖存失敗或者對系統(tǒng)的其它影響。
　　
　　如果想要更加便捷的發(fā)現(xiàn)存在哪些影響，就要使用頻域來進(jìn)行觀察。而且某些時候這些影響只能通過頻域觀察才能發(fā)現(xiàn)。為了定位某個信號中導(dǎo)致系統(tǒng)出錯，或者使寬帶噪聲隨機(jī)變大的原因，必須使用頻率模板測試，其工作的方式與大多數(shù)常見示波器的時域模板相同。如果某個頻域信號進(jìn)入(干擾)該模板，則示波器可以簡單地停止采樣，并通過頻率、時間回放或者同時進(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，對于模板違規(guī)事件可以做進(jìn)一步分析。
　　
　　嵌入式本來就是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，在對其進(jìn)行調(diào)試和測量時，就需要一種高靈敏度、快速的分析方式。數(shù)字示波器其實就是一個非常好的工具，但是這對示波器的要求相對較高，必須配備合適的硬件電路及相關(guān)工具。希望大家在看過這篇文章之后，能對示波器的使用有進(jìn)一步的認(rèn)識。