打破傳統(tǒng) 巧用示波器實(shí)現(xiàn)多域信號(hào)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(hào)，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(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行捕捉并不是最重要的，由于信號(hào)都是與時(shí)間和幅值有關(guān)的函數(shù)，所以重要的是，要知道捕捉信號(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)。該變換可以為某個(gè)時(shí)域波形中采樣的信號(hào)給出時(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)候存在干擾以及什么時(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。快速傅立葉(FFT)變換是一種實(shí)現(xiàn)離散變換的高效方法。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。
　　
　　值得注意的是，目前很多示波器在對(duì)快速傅立葉變換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)，都存在一個(gè)極限問題。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。
　　
　　這里有一點(diǎn)需要說明，在對(duì)頻譜進(jìn)行分析時(shí)，不要將其束縛在固定的通道上進(jìn)行。因?yàn)樵谀承┣闆r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
　　
　　如果想要實(shí)現(xiàn)采用FFT的信號(hào)來進(jìn)行分析，就一定要掌握示波器的動(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。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、增益誤差、非線性誤差、噪聲等這些問題，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位降至4至7位之間的某個(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。
　　
　　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。
　　
　　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(gè)難點(diǎn)。跨時(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。
　　
　　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(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。
　　
　　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(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)，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(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。
　　
　　嵌入式本來就是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，在對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和測量時(shí)，就需要一種高靈敏度、快速的分析方式。數(shù)字示波器其實(shí)就是一個(gè)非常好的工具，但是這對(duì)示波器的要求相對(duì)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(duì)示波器的使用有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。