datasheet

如何采用数字示波器进行多域测量?

2014-05-29来源: 电子设计技术 关键字:数字示波器  多域测量

  在复杂的嵌入式系统中,通常需要同时监测时域和频域中的多个信号。尽管基带数字信号、射频信号和模拟信号是相互关联和依存的,但是基于传统的调试方法,人们常常无法描述或捕捉它们之间的关系。采用微控制器实现的RF信号反馈控制、低速串行总线、严格的时序关系,以及RF和数字信号之间电磁干扰等都是原型设计阶段令人头痛的问题。

  通常可以使用数字示波器分析这些信号所产生的问题,但是大多数开发人员却试图寻找其它的仪器。虽然最终可能完成了工作,但是却花费了大量时间,还需要非常丰富经验。将模拟信号、数字信号和RF信号的测试功能整合在一台仪器中,可以降低对不同设计项目所需要的时间和专家经验。

  本文介绍的示波器拥有多个模拟通道(既可用于时域又可用于频域)和数字通道(用于逻辑分析和协议分析)。本文描述如何利用该示波器查看和调试系统中的不同信号,以及共同作用使得该系统可以正常工作的大量关键因素。

  对于大量新型设计来说,频域分析是一种关键的调试功能。但是,频域分析必须与时域、数字信号或逻辑通道保持严密的同步。频谱分析对调试工作的价值通常取决于分析速度(更新速度),因此信号的捕捉和发现极富挑战性。此外,仪器还必须具备足够高的频域和时域灵敏度,以便能够捕捉到信号,如因电磁干扰或其它干扰所产生的频域杂散信号等微小信号。为了获得可以用来调试支持多种信号类型的复杂系统的有价值信息,必须基于时间事件、频率事件或数字码型实现精确触发。

  快速傅立叶变换

  任何信号都是关于时间和幅值的函数。因此,不仅需要捕捉信号幅值,而且还要捕捉信号如何随时间而变化。傅立叶变换是将时域函数变换成频域频谱的主要技术。该变换可以为从某个时域波形中采样的信号给出某个时间点的频谱快照。它使得瞬时频谱可以测量,从而可以测量某个信号在任何时刻的频率分量。据此,可以观察频谱随时间而发生的变化,了解什么时候存在以及什么时候不存在干扰,时域事件和频域事件之间是如何关联的。

  在离散傅立叶(DFT)变换中,一定数量时域信号样点被转换成一定数量的频率样点,每一个频率样点都由时域样点通过算法函数计算得出。快速傅立叶(FFT)变换是一种实现离散傅立叶变换的高效方法。该方法类似于离散傅立叶变换,可以将一定数量的离散采样变换至频域。示波器通常利用快速傅立叶变换的采样技术,将时域采样变换至频域。

  大多数现代示波器实现的传统快速傅立叶变换方法存在一个限制,尽管人们只对一部分频率范围感兴趣,但是,FFT的计算过程是针对整个采样信息进行的。这种计算方法效率低下,使得整个过程速度较慢。数字下变频(DDC)解决了这一问题,其方法是将目标频带宽度下变频至基带并以较低采样率对其重新采样,实现了在小得多的记录长度上进行快速傅立叶变换。因此,其计算速度更快、更加接近实时性能,也具备更高灵活性。这种灵活性通常可以转变成多域调试应用中所要求的功能。除此之外,由于实际变换是在基带频率上完成的,因此,这种方法还可以实现过采样的优点。这进一步改善了在目标频带宽度上的信噪比。

  由于FFT频谱产生于原始的时域信号,因此通过对同一信号进行时间和频率上的分析,可以获得大量的有用信息。某个信号在时域中可能是稳定和正确的,在频域分析时可以发现噪声变大、未知的杂散信号以及其他在时域分析中不易发现的异常事件。在某些示波器上还可以使用时域选通分析功能。借助该功能,可以实现更强大的检测功能。通过选通方式进行FFT变换或者限制在某个时间记录的特定位置作FFT,可以在指定的时间点观察傅立叶变换,从而有助于确定产生问题的时间点。获得了干扰信号的周期或频率之后,可以更加准确、快速排除差错或者故障。

  最后需要指出的是,不将频谱分析限制在某个特定单一通道上通常也是非常重要的。某些情况下,事件可能影响多个通道的信号,对多个通道同时进行频谱分析可以提供更多的测试信息。如在时间上相互关联的被干扰信号和干扰信号的频谱分析视图可以为问题分析提供有力证据。

  动态范围

  合适地利用FFT实现信号分析,还必须了解示波器的动态范围。高动态范围、无杂散信号等特点对于正确地进行时域采样并将其转换至频域至关重要。示波器的动态范围不可避免地取决于示波器模数转换器(ADC)的性能及其有效位数(ENOB)。有效位数越多,动态范围越高,信噪比(SNR)越大,精度越好。理想ADC可以将给定电压转换至2K个量化等级之一;其中,对于8位ADC,K为8,其对应的量化等级有256个。然而,ADC存在偏置误差和增益误差、非线性误差和噪声,这些均会影响其动态范围,从而,使得其有效位数由8降至4至7之间的某个值。此外,示波器也不仅仅只包括一个模数转换器,它还有前端放大器和滤波器等,这些组件都会带来噪声,进一步劣化总体ENOB.因此,为了实现可测量动态范围的最大化,必须综合考虑整个信号采样链上的全部组件。

  大量示波器采用多个低速ADC的交织采样技术实现高采样率。但是,这种方法会带来交织杂散信号,以及与整个采样系统中速度最低的ADC的采样率相关的频率分量。这些频率分量及其能量进入仪器后,会形成更强、更多的杂散信号,使得针对精确频谱信息的测量更加困难。了解频率信号采样通道的无杂散动态范围,可以有助于获得理想的测量结果。

  最后需要指出的是,整体灵敏度或者模拟前端放大器的增益倍数对于频谱分析通道处理小信号(例如,电磁干扰所产生的那些信号)的灵敏度具有决定性作用。一些示波器的设置可以小至1mv/格。但是这些设置可能是基于放大显示而非真正的放大器增益,因此它们可能存在放大误差,并且可能会减小示波器的带宽。为了观察电磁干扰以及其它干扰信号对带宽的可能影响,必须将放大器的增益下调至1mV/格。增益为1mv/格的优质放大器可以提高对微小信号作FFT分析时的观察能力。

  触发和采样

  多域调试和分析的最后一个难点是不同域之间跨域的触发和采集机制。跨时域和频域采取数据的能力对于在设计工作中缩小问题范围是至关重要的。

  大量工程师不由自主地倾向于使用传统的时域信号触发。这些触发信号可能包括边沿、窗口、矮脉冲(runt)和其它波形。尽管它们可能很容易设定,但是用于观察跨域问题时,基于它们的触发方式通常缺乏稳定性和可重复性。基于模拟或逻辑通道的触发(例如,码型触发),可以有助于缩小捕获某个异常的范围。串行总线协议触发也可以用于分析例如CRC错误或数据包受损等异常事件。利用这些触发技术可以可靠地在屏幕上重现相应的错误,以进行更加深入的分析。采用频域视图观察受损信号或疑似干扰信号,通常可以找出问题的原因。如果某个时钟信号的设计频率为100MHz,如存在不定期影响该时钟信号谐波频率的突发频率干扰,则可能出现锁存失败或者对系统的其它影响。

  最后需要指出的是,采用频域观察,可以更加容易地发现某些影响;而且某些时候这些影响只能通过频域观察才能发现。为了定位某个信号中导致系统出错的、使宽带噪声随机变大的原因,必须使频率模板测试,其工作的方式与大多数常见示波器的时域模板相同。如果某个频域信号进入(干扰)该模板,则示波器可以简单地停止采样,并通过频率、时间回放或者同时进行两者回放以解析事件、找出其根本原因。此外,这些模板也可以设置为精确的dBm条件,用于模拟EMI测试,对于模板违规事件可以做进一步分析。

  实时示波器

  复杂嵌入式系统通常存在大量的测试和调试问题。这些问题的解决要求高速、高灵敏度地同步进行时域和频域分析。对于该任务,实时示波器平台是一种良好的工具。但是,所选示波器必须拥有合适的硬件电路和相关工具,以完成合适的多域调试。模拟通道FFT不受通道数量的限制,是一种极好的选择。但是,它们必须可以足够快速地进行FFT才能具有可使用性,实现过采样、提高信噪比,以达到相当于谱频分析仪的动态范围。优良的前端、高ENOB的A/D转换以及大动态范围十分重要,与大增益前端放大器对于小信号测量的重要性类似。跨域触发能力将这些功能或特点结合在一起,为解决问题和设计调试共同提供了一种更快、更简便的方法。

关键字:数字示波器  多域测量

编辑:孟娟 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0529/article_9111.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:示波器在频谱测试中有哪些作用?
下一篇:教你了解示波器波形粗细属性

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

RIGOL发布全新 5000系列数字示波器

苏州普源精电科技有限公司(简称:RIGOL)于11月11日正式发布其最新款5000系列数字示波器,作为RIGOL20周年匠心之作推出的新品之一,5000系列数字示波器包含MSO5072、MSO5074、MSO5102、MSO5104、MSO5204、MSO5354六个型号。此外,5000系列数字示波器与今年5月发布的MSO/DS7000系列数字示波器一样,采用了RIGOL自主研发的ASIC数字示波器处理芯片组,成为RIGOL中国芯家族的新成员。  RIGOL 5000系列数字示波器带宽包含70MHz,100MHz,200MHz和350MHz。具有2通道和4通道型号,集数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪
发表于 2018-11-12
RIGOL发布全新 5000系列数字示波器

示波器RIGOL MSO/DS7000系列数字示波器全“芯”上市

2018年5月18日,苏州普源精电科技有限公司(以下简称:RIGOL)正式对外发布其最新款MSO/DS7000系列数字示波器,该系列数字示波器采样率高达10GSa/s,存储深度可达500Mpts,是同类产品的佼佼者。而且,MSO/DS7000系列拥有一颗独一无二的“中国芯”,搭载了RIGOL自主研发的数字示波器芯片组。此外,还具有20倍的超高采样率带宽比,远高于同类产品,10.1英寸的超大电容触摸屏,高达60万次波形捕获率和基于全内存硬件测量的强大数据分析能力,多项性能指标在同类产品中处于领先位置。MSO7000/DS7000系列采用10.1英寸多点触控电容屏,支持多种手势操作,为用户提供极其友好的用户体验。存储深度最高
发表于 2018-05-19
示波器RIGOL MSO/DS7000系列数字示波器全“芯”上市

如何深入理解数字示波器触发功能及测试案例

“触发”绝对称得上数字示波器灵魂级的概念,如果没有合适的触发条件,波形观测也无从谈起。虽然很多工程师熟悉触发功能,但只知其表不知其里。如何深入理解触发呢?这篇ZDS示波器研发笔记分享给大家。示波器在使用时首先要得到稳定触发的波形,这样才能保证后续的测量、解码等高级功能的可靠性。现在数字示波器的触发功能越来越强大,从常规触发,到协议触发,再到模板触发,越来越强大。但在基本的触发设置中,有些小细节的作用不可忽视,灵活掌握后,对使用示波器亦大有裨益。下文就对触发功能、设置中的触发滤波、触发灵敏度、释抑时间进行分析交流。一、示波器触发的原理示波器的触发系统与采样系统,是示波器的重要组成部分。采样系统负责将模拟信号数字化,但信号是源源不断
发表于 2018-05-06
如何深入理解数字示波器触发功能及测试案例

技术探讨:如何解决数字示波器的测量问题

混叠、同步采样和插值器错误会让你错误理解测量结果,除非你很清楚这些问题。正如你想到的那样,大多数数字示波器制造商不会花很多时间来讨论负面问题,因此了解这些问题是一种探索性体验。下面我们来探讨一下这些问题,同时看看如何检测并解决这些问题。 混叠 根据所有数字仪器和系统都应遵循的采样理论,对一个信号的采样率必须超过该信号中所包含的最大频率的两倍。如果信号被正确采样,示波器就可以从样本中重建这个信号,不会损失任何信息。在欠采样情况下,或者说采样率小于信号最高频率分量两倍时,恢复出来的信号会含有低于原始信号的频率成分,这种不想要的信号被称为混叠信号。采样率的一半被称为奈奎斯特频率,代表了可以按这个采样率数字化的信号
发表于 2018-04-01
技术探讨:如何解决数字示波器的测量问题

数字示波器的原理及使用方法

数字示波器是设计、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技及市场需求的快速发展,工程师们需要最好的工具,迅速准确地解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛,数字示波器在迎接当前棘手的测量挑战中至关重要。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差,从而影响测试任务。数字示波器的原理数字示波器是数据采集,A/D转换,软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器的工作方式是通过模拟转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值,并对样值进行存储,存储限度是判断累计的样值
发表于 2018-01-17

数字示波器介绍_数字示波器参数意义

数字示波器是设计、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技及市场需求的快速发展,工程师们需要最好的工具,迅速准确地解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛,数字示波器在迎接当前棘手的测量挑战中至关重要。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差,从而影响测试任务。本文为大家详细介绍数字示波器参数意义。数字示波器的带宽带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值,而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器
发表于 2018-01-17

小广播

更多相关热搜器件

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
pt type="text/javascript" src="//v3.jiathis.com/code/jia.js?uid=2113614" charset="utf-8">