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在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,是德示波器進(jìn)行多域測(cè)量

發(fā)布日期:2023-01-03 15:52:49         瀏覽數(shù):   

  在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,通常需要同時(shí)監(jiān)控時(shí)域和頻域中的多個(gè)信號(hào)。雖然基帶數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)和模擬信號(hào)是相互關(guān)聯(lián)和依賴的,但人們往往無(wú)法根據(jù)傳統(tǒng)的調(diào)試方法來(lái)描述或捕捉它們之間的關(guān)系。微控制器RF信號(hào)反饋控制、低速串行總線、嚴(yán)格的時(shí)間順序關(guān)系和RF與數(shù)字信號(hào)之間的電磁干擾是原型設(shè)計(jì)階段令人頭疼的問(wèn)題。

  數(shù)字通常是是德示波器分析這些信號(hào)的問(wèn)題,但大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員試圖尋找其他儀器。雖然工作最終可能會(huì)完成,但它需要很多時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)。模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF在儀器中集成信號(hào)測(cè)試功能可以減少不同設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需的時(shí)間和專家經(jīng)驗(yàn)。

  本文介紹了是德示波器有多個(gè)模擬通道(時(shí)域和頻域)和數(shù)字通道(邏輯分析和協(xié)議分析)。本文描述了如何使用是德示波器查看和調(diào)試系統(tǒng)中的不同信號(hào),以及使系統(tǒng)正常工作的大量關(guān)鍵因素。

在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,是德示波器進(jìn)行多域測(cè)量(圖1)

  對(duì)于大量新型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),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(lái)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(cè)量,從而可以測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)程速度較慢。數(shù)字下變頻(DDC)解決了這一問(wèn)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(cè)功能。通過(guò)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(wèn)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,事件可能性響多個(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(cè)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(wèn)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(wú)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(lái)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(lái)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(cè)量更加困難。了解頻率信號(hào)采樣通道的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍,可以有助于獲得理想的測(cè)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(wèn)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(wèn)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?wèn)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。

  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(guò)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(cè)試,其工作的方式與大多數(shù)常見(jiàn)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(jiǎn)單地停止采樣,并通過(guò)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(cè)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(cè)試和調(diào)試問(wèn)題。這些問(wèn)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(guò)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(cè)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(wèn)題和設(shè)計(jì)調(diào)試共同提供了一種更快、更簡(jiǎn)便的方法。

在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,是德示波器進(jìn)行多域測(cè)量(圖2)

  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(jiǎn)單,頻帶較窄,掃描線性差,僅用于觀察波形。

 ?、诙嘤檬静ㄆ?。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(cè)試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器,測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。

 ?、鄱嗑€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(méi)有時(shí)差,時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。

 ?、芏喾N示波器。具有電子開(kāi)關(guān)和門(mén)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。

 ?、萑邮静ㄆ鳌2捎萌蛹夹g(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)。

 ?、抻洃浭静ㄆ鳌2捎么鎯?chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù),將單次電信號(hào)瞬變過(guò)程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長(zhǎng)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(cè)試。

 ?、邤?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(cè)信號(hào)經(jīng)模擬數(shù)變換器(A/D變換器)送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,通過(guò)鍵盤(pán)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。

       以上就是在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中,是德示波器進(jìn)行多域測(cè)量的相關(guān)介紹,如果您有更多疑問(wèn)或需求可以關(guān)注西安安泰測(cè)試Agitek哦!非常榮幸為您排憂解難。

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