采用數(shù)字示波器進行多域測量

1、采用數(shù)字示波器進行多域測量在復(fù)雜的系統(tǒng)中，通常需要同時監(jiān)測時域和頻域中的多個信號。盡管基帶數(shù)字信號、信號和模擬信號是互相關(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。采納微控制器實現(xiàn)的rf信號反饋控制、低速串行、嚴格的時序關(guān)系，以及rf和數(shù)字信號之間電磁干擾等都是原型設(shè)計階段令人頭痛的問題。通?？梢杂梅〝?shù)字分析這些信號所產(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，但是卻花費了大量時光，還需要十分豐盛閱歷。將模擬信號、數(shù)字信號和rf信號的測試功能整合在一臺儀器中，可以降低對不同設(shè)計項目所需要的時光和專家閱歷。本文介紹的示波器擁有多個模

2、擬通道(既可用于時域又可用于頻域)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，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。對于大量新型設(shè)計來說，頻域分析是一種關(guān)鍵的調(diào)試功能。但是，頻域分析必需與時域、數(shù)字信號或規(guī)律通道保持嚴密的同步。頻譜分析對調(diào)試工作的價值通常取決于分析速度(更新速度)，因此信號的捕獲和發(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域敏捷度，以便能夠捕獲到信號，如因電磁干擾或其它干擾所產(chǎn)生的頻域雜散信號等極小信號。為了獲得可以用來調(diào)試支持多種信號類型的復(fù)雜系統(tǒng)的有價值信息，必需基于時光大事、頻率大事或數(shù)字碼型實現(xiàn)精確觸

3、發(fā)。迅速傅立葉變換任何信號都是關(guān)于時光和幅值的函數(shù)。因此，不僅需要捕獲信號幅值，而且還要捕獲信號如何隨時光而變幻。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)。該變換可以為從某個時域波形中采樣的信號給出某個時光點的頻譜快照。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重量。據(jù)此，可以觀看頻譜隨時光而發(fā)生的變幻，了解什么時候存在以及什么時候不存在干擾，時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)量時域信號樣點被轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的頻率樣點，每一個頻率樣點都由時域樣點通過算法函數(shù)計算得出。迅速傅立葉(fft)變換是一種實現(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)，將時域采樣變換至頻域。大多數(shù)現(xiàn)代示波器實現(xiàn)的傳統(tǒng)迅速傅立葉變換辦法存在一個限制，盡管人們只對一部分頻率范圍感愛好，但是，fft的計算過程是針對囫圇采樣信息舉行的。這種計算辦法效率低下，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舉行迅速傅立葉變換。因此，其計算速度更快、越發(fā)臨近實時性能，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，因為實際變換是在基帶頻率上完成的，

5、因此，這種辦法還可以實現(xiàn)過采樣的優(yōu)點。這進一步充實了在目標頻帶寬度上的信噪比。因為fft頻譜產(chǎn)生于原始的時域信號，因此通過對同一信號舉行時光和頻率上的分析，可以獲得大量的實用信息。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)覺噪聲變大、未知的雜散信號以及其他在時域分析中不易發(fā)覺的異樣大事。在某些示波器上還可以用法時域選通分析功能。借助該功能，可以實現(xiàn)更強大的檢測功能。通過選通方式舉行 fft 變換或者限制在某個時光記錄的特定位置作fft，可以在指定的時光點觀看傅立葉變換，從而有助于確定產(chǎn)生問題的時光點。獲得了干擾信號的周期或頻率之后，可以越發(fā)精確、迅速排解差錯或者故障。最后需要指出的

6、是，不將頻譜分析限制在某個特定單一通道上通常也是十分重要的。某些狀況下，大事可能影響多個通道的信號，對多個通道同時舉行頻譜分析可以提供更多的測試信息。如在時光上互相關(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)范圍合適地利用fft實現(xiàn)信號分析，還必需了解示波器的動態(tài)范圍。高動態(tài)范圍、無雜散信號等特點對于正確地舉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，動態(tài)范圍越高，信噪比(snr)越大，精度越好。抱負adc可以將給定轉(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)

7、的量化等級有256個。然而，adc存在偏置誤差和增益誤差、非線性誤差和噪聲，這些均會影響其動態(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，它還有前端和等，這些組件都會帶來噪聲，進一步劣化總體enob。因此，為了實現(xiàn)可測量動態(tài)范圍的最大化，必需綜合考慮囫圇信號采樣鏈上的所有組件。大量示波器采納多個低速adc的交織采樣技術(shù)實現(xiàn)高采樣率。但是，這種辦法會帶來交織雜散信號，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入儀器后，會形成更強、更多的雜散信號，使得針對精確頻譜信息的測量越發(fā)困難。了解頻率信號采樣通道的無

8、雜散動態(tài)范圍，可以有助于獲得抱負的測量結(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，并且可能會減小示波器的帶寬。為了觀看電磁干擾以及其它干擾信號對帶寬的可能影響，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)放大器可以提高對極小信號作fft分析時的觀看能力。觸發(fā)和采樣多域調(diào)試和分析的最后一個難點是不同域之間跨域的觸發(fā)和采集機制?？鐣r域和頻域?qū)嵭袛?shù)據(jù)的能力對于在設(shè)計工作中縮小問題范

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。盡管它們可能很簡單設(shè)定，但是用于觀看跨域問題時，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)的錯誤，以舉行越發(fā)深化的分析。采納頻域視圖觀看受損信號或疑似干擾信號，通?？梢哉页鰡栴}的緣由。假如某個時鐘信號的設(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

10、浮現(xiàn)鎖存失敗或者對系統(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)簡單地發(fā)覺某些影響；而且某些時候這些影響只能通過頻域觀看才干發(fā)覺。為了定位某個信號中導(dǎo)致系統(tǒng)出錯的、使寬帶噪聲隨機變大的緣由，必需使頻率模板測試，其工作的方式與大多數(shù)常見示波器的時域模板相同。假如某個頻域信號進入(干擾)該模板，則示波器可以容易地停止采樣，并通過頻率、時光回放或者同時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測試，對于模板違規(guī)大事可以做進一步分析。實時示波器復(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、高敏捷度地同步舉行時域和頻域分析。對于該任務(wù)，實時示波器平臺是一種良好的工具。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