原标题：使用示波器执行五项常见调试任务

　　从鼠标和键盘等输入设备到智能家居和流媒体盒，消费者需要无线的便利。这种需求迫使现代嵌入式系统与几年前的嵌入式系统几乎没有相似之处。当今生产或开发中的大多数系统设计都包括至少一种无线功能，例如 Wi-Fi、蓝牙或 ZigBee。

　　测试这些系统意味着设计人员必须能够在混合域环境中工作，从直流到射频，使用模拟和数字信号，以及串行和并行总线。为了满足这一需求，测试设备供应商正在响应集成示波器，在单个便携式封装中提供一整套台式仪器。这种示波器能够处理一系列常见的调试和验证任务，从检测辐射 EMI 源到验证开关电源设计。

　　在不久的过去，进行所有这些测量需要一个装满仪器的工作台，每个仪器都有自己的接口和设置要求。在对示波器用户的调查中，我们发现除了他们的示波器，工程师们报告说他们每月会多次使用以下仪器：

　　数字电压表：87%

　　函数发生器：68%

　　频谱分析仪：45%

　　逻辑分析仪：33%

　　协议分析仪：15%

　　这表明示波器——大多数设计平台上的中心仪器——需要为设计人员提供更全面的功能和特性，以支持嵌入式设计的有效验证和调试。因此，测试设备制造商现在提供集成示波器，该示波器结合了多种仪器，可提供对时域和频域的洞察力。

　　除了数字示波器的所有功能外，这些集成仪器还具有其他功能，包括频谱分析仪、逻辑分析仪、协议分析仪、任意函数发生器和 DVM(数字电压表)。如何使用多功能示波器解决调试问题?接下来的五页将向您展示示例。

　　第 2 页：查找信号异常

　　第 3 页：验证串行和并行总线

　　第 4 页：搜索噪声源

　　第 5 页：使用噪声信号进行裕量测试

　　第 6 页：验证开关电源

　　与往常一样，您的里程可能会根据您的需求和要求而有所不同——请务必仔细查看规格表，并与您的预期应用进行比较。但随着价格下降到与“标准”数字示波器相匹配，无线在嵌入式系统中变得司空见惯，可以肯定地说，集成示波器将继续存在并代表示波器的未来发展方向。

　　发现和捕获信号异常可能是最困难的调试挑战之一。仅在一个信号上出现细微或罕见的异常可能意味着设计可靠与不可靠之间存在差异。

　　通常情况下，在电路板上探测信号时，偶尔会在波形上看到微弱的痕迹，这表明不常见的和意外的事件看起来不像数字信号。使用强度分级显示有助于确认信号上存在不常见的异常，但它们从显示中消失太快而无法测量。虽然在查看单个信号时无限持久性可能会有所帮助，但它与 PCB 上的快速探测不兼容。

　　为了在探索设计时发现信号异常并了解异常发生的频率，启用了示波器的颜色分级快速采集模式。这种采集模式将波形采集速率提高到超过 280,000 个波形/秒。这足以捕获任何信号异常。图 1 显示了一个颜色分级显示，用红色表示最频繁的信号，用蓝色表示最不频繁的信号。在这个 3.3 V 数字信号中，偶尔会出现窄脉冲或毛刺。略高于 1 V 高的低幅度欠幅脉冲也以蓝色显示。下一步是使用欠幅触发器来隔离和捕获每个欠幅脉冲。

　　图 1. 快速采集模式可让您捕获信号异常。

　　您可能需要知道欠幅脉冲发生的频率。前面板控件提供对手动和自动波形导航工具的访问，这些工具具有平移和缩放等功能，因此即使是长时间的采集也可以进行检查。然而，通过长信号采集手动导航可能是乏味且容易出错的。手动滚动数百万个数据点时可能会错过感兴趣的事件。在手动浏览信号时，您如何有把握找到所有出现的信号?

　　此问题的解决方案是自动搜索信号以查找指定事件的所有实例。指定搜索事件类似于指定触发事件。然后，示波器将自动标记每个事件，并允许用户通过使用前面板箭头按钮在标记之间导航来找到它们。在这种情况下，欠幅触发设置被复制到自动搜索设置中，并且采集信号中的三个欠幅脉冲，间隔大约相隔 3.25 毫秒，被发现。有了这些信息，用户就能够关联以这种速率发生的事件并找出信号异常的原因。

　　对于调试嵌入式系统，包括同时具有并行和串行总线的系统，集成示波器可让您对串行总线执行协议分析并在并行总线上执行逻辑分析。

　　在本示例的串行端，该设计使用 SPI 串行总线。因为这是一条简单的总线，所以示波器只需要捕获三个信号。在您定义了一些串行总线参数(例如数字阈值电平和串行信号配置)后，示波器将自动解码总线数据。

　　该 SPI 串行总线驱动串并转换器。为了验证串行和并行总线之间的时序关系，使用数字通道获取八个并行总线信号。定义几个总线参数后，并行总线会自动解码显示。示波器一次最多可以解码和显示两条并行或串行总线。随着两条总线的同步显示，串行和并行总线数据的时序关系变得明显。在大多数情况下，并行总线值在串行数据包发送后立即设置为串行总线数据值。

　　为方便调试任务，可设置串行触发以稳定显示并捕获特定串行事件。在这种情况下，每次在串行总线上传输十六进制数据值 B0 时，都会设置一个触发器来捕获信号。如图 2所示，串行值 B0 hex 传输时并行总线值没有变化。进一步的调查表明，该设计并没有像预期的那样工作。

　　图 2. 使用串行触发捕获 B0 十六进制数据包稳定的混合信号显示。

　　嵌入式系统调试中的另一个常见任务是跟踪设计中的噪声源。集成的频谱分析仪可让您研究时域和频域信号。在这个例子中，在电路板周围探测时发现了一个高频信号骑在一个低频信号上。在时域显示中使用光标测量，主要噪声出现在大约 900 MHz。

　　切换到集成频谱分析仪后，使用近场探头捕获辐射信号。频谱分析仪的中心频率设置为 900 MHz，跨度设置为 2 MHz。专用的前面板键盘可用于设置这些和其他 RF 参数。然后，近场 EMI 环形天线在电路板上缓慢移动，以寻找 900 MHz 的最高信号电平。如图 3所示，在 FPGA 中时钟发生器电路的输出端发现了最强的信号。

　　图 3. 频谱分析仪显示 FPGA 发出的 900 MHz 强辐射。

　　为了进一步分析，可以使用频谱图显示来监测随时间的变化。在这种情况下，信号似乎相当稳定。在检查 FPGA 布局后，确定该信号对应于 100 MHz 以太网时钟的九次谐波。电路板布局不佳会导致与其他信号的磁耦合。

　　保证金测试是另一项日常任务。波形发生器可让您创建可用于执行裕量测试的可编程激励。

　　在本例中，CAN 总线串行接收器电路的噪声容限使用集成示波器进行表征。首先，使用示波器上的模拟通道捕获实时 CAN 信号，并将其加载到集成任意波形/函数发生器的编辑存储器中。然后使用波形发生器重复输出捕获的串行激励信号来驱动接收电路的输入。然后用示波器的通道3获取接收电路的串行输出，并显示解码后的串行输出。在此示例中，添加总线触发器可稳定显示。

　　然后将高斯噪声添加到串行信号中，并监控接收器电路的解码输出，寻找数据包开始变化或消失，指示位错误。这如图 4所示。

　　图 4. 在串行接收器的输出端捕获丢失的串行数据包可以指示位错误。

　　通过监测接收器的解码输出，我们发现接收器设计在噪声水平高达串行信号幅度的 40% 时运行良好，但在噪声水平达到信号幅度的 45%-50% 时表现出明显的错误。这种测试方法对于快速验证接收机的噪声容限是有效的。

　　即使您很少处理功率测量，基于示波器的功率测量也能让您获得同样准确且可重复的结果。此示例说明如何使用示波器使用自动功率测量、集成 DVM、差分电压探头和电流探头进行常见的功率测量。

　　在本例中，来自 AC-DC 转换器的输入电压(黄色)和电流(蓝色)如图 5所示。集成的 4 位 DVM 监控直流输出电压。DVM 显示屏右侧的测量统计表明输出电压非常稳定。图形读数提供电压变化的视觉指示。然后使用功率测量应用程序进行输入功率质量测量，包括功率、波峰因数和功率因数，以表征电源对交流电源的影响。从那里开始，电流谐波测量用于以图形和表格格式提供输入电流的频域分析。

　　图 5. DVM 监控电源的直流输出电压，而示波器显示交流输入电压波形(黄色)和电流波形(蓝色)。

　　另一个关键的功率测量是功率器件中的开关损耗，这是电源效率的主要限制。在图 6中，测量了 MOSFET 上的差分电压(黄色迹线)，以及流过开关器件的电流(蓝色迹线)。然后生成瞬时功率波形(红色轨迹)并显示开关损耗功率和能量测量值。

　　图 6. 屏幕显示 MOSFET 中的电压、电流和功率损耗。

　　最后，称为安全工作区的测量允许在各种输入和负载条件下对开关行为进行自动监控和通过/失败测试。通过比较开关器件的电压、电流和瞬时功率水平与器件的最大额定值，该测量用于确保器件的可靠性不会因超出规格而受到损害。