使用实时数字荧光示波器进行调试

21ic 2017-10-13

调试(Debug)的任务,是要检查设计中存在的问题:改正电路中的错误,消除设计里的缺陷,使设计达到预期的功能,并优化电路。

调试的一般过程,我们可以把它归纳为:发现问题——定位问题——分析问题——解决问题。万用表、示波器、逻辑分析仪等仪表都是重要的调试观察工具。

使用示波器进行调试,准确、快捷、使用方便是每个使用者的要求。选用合适的工具来工作,可以起到事半功倍的效果。

隐藏在正常信号里的异常(偶发性故障),是调试电路错误的一种关键对象。发现偶发性故障对于调试工具提出了很高的要求——调试工具的波形捕获概率要足够高,漏失率要足够低,才能快速可靠地发现这些偶发的异常,为我们下一步定位问题提供足够的信息。正像图四中看到的例子,一秒发生一次的故障,可能来自于时钟电路的周期性失效,也可能源于其它电路的干扰。由于这种失效或者干扰的出现概率可能只有几百万分之一甚至更低,所以对于传统数字存储示波器不到2%的捕获概率来讲,要以比较高的置信度来发现这些问题,需要花费很长的时间。这时,数字荧光示波器的优势就显现出来了,它高达数十万次的波形捕获率和最高可超过60%的捕获概率,可以帮助调试人员迅速“看到”问题,减少在众多正常信号里面搜寻故障的时间——结果,您可能只需要几秒钟,而不是数分钟、数小时甚至几天的时间,就能发现令人头痛的偶发性错误。

事实上,偶发性故障对于调试人员来说本来是未知的——在有限的观测时间内,发现问题的概率越高,则调试的效率越高。这时数字荧光示波器的价值更加明显——DPO观测一段时间所获得的信息量,用数字存储示波器可能需要数十倍甚至数百倍的时间才能完成。所以,DPO是现今数字示波器领域,能最快发现问题的调试工具。还是图四的例子,使用DPO观测10秒钟,发现一秒一次的故障的概率大约是99.99%。而使用数字存储示波器,达到同样的捕获概率需要约450秒,也就是七分半钟,差别一目了然。从这种意义上来讲,DPO提供的不仅仅是远远领先的效率,更加为调试人员增添了无以伦比的信心。

发现问题,完成了调试中关键的一步。下一步就是定位问题。

在定位问题上,业界有两种方法:一种是使用长内存,抓取很长的数据量,然后通过肉眼观测或者搜索插件来找到关心的问题点;另一种是使用触发,直接定位需要的的波形细节。这两种方法,实际上是有其技术背景的:第一种方法是除了泰克公司以外的其它示波器生产商支持的——在没有DPX并行处理技术,波形捕获率低的情况下,“放大网,抓小鱼”成了唯一的解决方案;加之这些厂商产品的高级触发模式的触发带宽一般在800MHz以下,“抓取——筛选”也是这些示波器最容易实现的对高速信号“定位问题”的方法。数字荧光示波器更倾向于后一种方法:在DPX波形捕获技术发现问题以后,使用得到的波形异常信息设置Pinpoint触发系统的高级触发条件,直接定位问题。

调试时使用长内存加查找来定位问题,好比是用摄像机摄录下一段时间的风景,然后再返回去查看所有记录来搜索我们想看的景色;硬件触发定位,类似高性能照相机加准确的快门设置,直接拍下我们关心的景色。两种方法在效率上的优劣一看自明。

另一方面,使用长内存来直接“定位问题”,并没有从根本上改善数字存储示波器高漏失率的问题。在图四的例子里面,如果使用目前业界高速内存最长的数字存储示波器,其可以提供最高20G的采样率和100M存储深度。您可以发现,即时使用全部100M存储空间,在20G采样率下只能无漏失地捕获5ms长度的波形;而处理这100M的数据,这种示波器通常需要几秒到几分钟的时间,漏失概率高达99.5%以上。所以在不知道偶发故障主要参数的前提下使用长内存加搜索,其调试过程好比高射炮打蚊子,命中率极低。

DPO的高波形捕获率,能在很短时间内发现信号的异常,如毛刺、欠幅脉冲、建立/保持时间违规、边沿速率或者单调性问题等等,并能以色温等方式告知其发生频度。用户使用基于DPX捕获技术的快采(FastAcq)方式捕获了这些问题以后,就可以使用简单的如光标测量等方式确定其主要参数,并将这些参数作为触发条件,就可以直接定位故障了。

用来定位故障的触发系统,各公司使用的技术也是不一样的。虽然各个厂商均宣称在触发系统上使用了SiGe的高速半导体技术,但是真实效果却有待研判。泰克公司在中高端数示波器中使用的Pinpoint双触发系统,使用了完全的SiGe 技术,这种高带宽、低功耗、低噪声的半导体技术造就了Pinpoint触发系统的强大性能:拥有业界最多的触发模式——除了边沿触发外,还提供毛刺、欠幅脉冲、宽度、转化时间、超时、码型、状态、建立/保持时间、窗口、通信相关触发和串行码型和解码触发等多种高级触发模式;业界最高的触发带宽——前十大类触发模式的触发带宽都可高达9GHz,串行码型触发可支持高达3.125Gbps的码流;业界最强大的组合触发模式——通过时间延时或事件延时,以及时间/状态/转换复位控制,Pinpoint触发系统可提供超过1400种组合触发模式。所以该触发系统可以几乎不受限制地设置各种触发条件。相比起来,其它厂商的示波器触发系统,一般仅仅能在边沿触发这种继承于模拟示波器的触发模式上有可与示波器匹配的触发带宽。而在高级(智能、违规)触发模式下,这些示波器一般仅能够提供不高于800MHz的触发能力。这对于当前的高性能、超高性能示波器来说几乎没有任何意义。

有些调试人员可能会有这样的疑问:用DPX快采看到的故障,如果是不可重复的,那触发系统再强大也捕获不了啊?不错,如果故障是单次的、不可重复的,那示波器是不能重新捕获的。但是,您完全没有必要担心,事实上,纯粹的不可重复故障并不是调试工作的任务,我们在调试时也不必关心这种问题。它可能源自一些非本电路的原因,如电力系统偶然失效、突发外部EMI干扰等——既然不会重复,我们为什么要担心呢?

当然,如果调试人员已经习惯使用长内存的方式定位故障,DPO也能胜任。实时数字荧光示波器是现在业界内存最长、处理速度最快的产品。它能在每通道上提供100M存储深度,单通道下最高可达400M。400M是一个非常优秀的指标,在20G采样率下,400M存储深度可以捕获从工频50Hz直到示波器满带宽的频谱成份,这在高性能示波器里面还是首屈一指的。

下面就是分析问题。示波器能提供的分析方法一般有:自动测量、数学运算、频谱分析、滤波和其它分析。现代示波器一般都使用开放式的Windows操作系统,较为容易实现分析功能的扩展。

DPO提供的标准配置分析功能很多。在自动测量方面,有关于幅度、时间、组合、直方图和眼图的53种测试项;在数学运算方面,有数十种运算符号可供调试人员自由编辑;频谱分析方面,除了一般示波器可以提供的基本FFT频谱分析仪外,DPO还提供高级的FFT分析,您可以设置中心频率、频谱跨度、分辨率带宽和选择合适的窗口函数(总共8种);DPO也提供用户自定义的FIR滤波器功能,用户可以使用低通、高通、带通、带阻、平滑等滤波器。此外,泰克还提供几十个免费小插件,使用这些小插件,可以轻松实现诸如“触发-存盘”、“测量-归档”这样的自动操作。另外,通过选件支持,用户还可以进行抖动分析、功率测量等高级测量。

有几个分析工具是值得注意的:第一个是快帧(FastFrame),它能将内存分段,连续触发,用户可设置触发捕获次数。当示波器捕获用户要求的次数后,每次捕获的信息都存入内存。用户可以观察每次捕获的波形(观察单个或者叠放),并且可以了解每次触发的时间(精确到皮秒)。这个功能对测量故障或者低占空比脉冲信号的频率和重复性有很大的帮助。和业界其它类似功能相比,DPO的快帧功能拥有最快的连续触发速率和最准确的定时精度;

第二个是DPX快采数据的自动测量功能。之前有人认为DPX快采的数据不能进行测试。事实上,DPX采集生成的波形数据库不仅可以测量,而且由于其本来就有统计效果,所以该三维数据库的信息用作重复信号或者有重复特性的信号的测量时,标准偏差(std. deviation)还较其它采集模式下小很多,亦即测试结果更准确。

在调试中,工作效率除了体现在快速发现问题、准确定位问题和精确测量外,仪器的易用性也十分重要。现代示波器的功能越来越丰富,性能也日益强大,其操作也变得越来越复杂。为了让调试人员专注于设计本身而不是测试仪器,DPO专门设计了用户自定义操作界面的MyScope(我的示波器)和Windows风格的鼠标右键弹出菜单功能。MyScope使示波器操作人员可以根据自己的使用风格和操作习惯,自由地将操作按钮组合成自己需要的操作界面。这样,MyScope操作面板可只包含用户需要的按钮,而其它不用的功能可以被完全忽略掉——于是用户将不再在众多复杂的菜单列表里寻找自己需要的功能——只要简单地打开“我的示波器”操作界面即可。更加简便的是,MyScope的自定义过程是完全的图形界面操作,您无须编写script,使用鼠标拖拽即可。

鼠标右键的弹出菜单,是用户操作时,可以在显示界面的特定位置(如测量结果、采集状态、通道标号、触发方式等等)上点击鼠标右键,即有与该位置所指示的参数相关的设置菜单弹出。熟悉Windows风格的用户可以使用这一功能,几乎只用一只鼠标就可以完成所有的示波器操作,效率倍增。

从以上几点我们可以看到:采用DPX技术的DPO平台示波器和传统示波器相比,快速采集能够最快最可靠地发现问题;Pinpoint硬件实时触发系统能够更精确地定位问题;FastFrame快采、自动测量、数学运算、FIR滤波器等功能可以从各种角度分析问题;同时,MyScope、鼠标右键弹出菜单等可以提高操作效率,降低工作复杂程度。这些都让DPO数字荧光示波器成为当今业界功能最强大、效率最高、分析能力最强的调试工具。


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