2020年02月22日 | 如何用Pico示波器进行故障诊断

当今，工程师面临着越来越严苛和复杂的测试任务。有时候设备在实验中能够正常工作，但是在实际现场应用时，就会出现这样那样的问题，从而导致设备无法正常运行。一旦出现问题，一方面会引起客户的不满，一方面可能会造成生产损失，昂贵的维修费用，甚至带来安全隐患。每当这个时候，客户总是希望现场应用工程师能够快速准确的进行故障定位并维修以便于他们恢复生产，这就给故障诊断工程师带来了巨大的挑战。

现场诊断时，工程师往往需要随身携带一套小巧轻便、但功能强大的分析工具，捕捉波形异常，例如定时错误、串扰、瞬态、电源质量测试问题等，从而来进行设备功能测试、故障定位、错误追踪等。

PicoScope示波器非常小，甚至能够放在衬衣的口袋中或笔记本电脑包中，很方便随身携带。同时其功能和性能也非常强大，能够媲美甚至超过许多实验室仪器，帮助工程师处理现场带来的挑战——更快、更容易解决故障。

本文将回顾一些常用的故障诊断案例，并介绍如何用PicoScope2200A和5000系列示波器捕捉和查找波形异常从而来判断问题所在。

一、实验室设计验证

产品设计不是一项简单的工作，工程师们一般需要掌握所有的实验室工具以保证设计的圆满完成。这些基本工具包括自动设计和仿真工具、一系列硬件验证工具，例如：一台示波器、一台信号发生器、逻辑分析仪、DVM、精密激励电源等等。除此以外，一旦遇到问题，也可以进行团队间的协作，例如，一个FPGA工程师遇到一个存储器接口问题，他可以跟硬件研发经理联系，请求其团队的工程师一起检查和解决问题。

二、现场故障诊断

设备在现场应用时一旦出现故障，那跟实验室的情况完全不一样。首先，客户会对产品有意见，觉得产品质量不好，同时会要求厂家帮助解决问题。如果产品用于生产过程，那么由于产品设计缺陷引起的经济损失是非常巨大的，所以时间是及其重要的。更糟糕的是，如果产品用于安全性至关重要的领域或者医疗行业，产品故障可能致使生命陷入危险之中。因此工程师们找到和解决设计缺陷的压力是非常大的。

一旦出现故障，倒霉的设计工程师就需要被派遣到应用现场，在完全陌生的环境下，帮助客户解决那个在开发过程中从不曾出现过的设计缺陷，没有直接的团队帮助。而且，运输急需的实验室设备到现场有时候是不切实际的，一方面来设备体积大不便于运输，一方面可能内部设计团队正在使用这些设备。

此时，一台小型、轻便、功能上类似于或超越实验室硬件验证工具的设备是非常有必要的。 它还要求能够共享现场测试数据和结果，让设计团队的其他成员了解到现场发现的故障，以便于共同找到问题的根源和解决办法。

三、PicoScope 软件

Pico USB 示波器是一款小型、轻便、新型的能够替代传统台式示波器的仪器。体积小巧，可以直接放在笔记本电脑包中，同时其功能一点也不低于普通的台式示波器。 Pico示波器提供2个和4个通道，500MHz带宽，一个内置信号源和16个数字通道。高级触发、串行解码、波罩测试、波形数学运算等高级功能也包含其中。高达2G的存储深度使PicoScope用户能够实时对复杂系统进行深入分析，同时其他的工程师也可以用他们电脑上免费的Picoscope 软件进行离线或者远程分析。

本文我们将举例说明如何用2通道2204A系列口袋示波器和4通道5000系列柔性分辨率示波器进行故障诊断的。

四、基本信号完整性测量

正在寻找设计缺陷的工程师的第一个任务是基本信号完整性测试和定时检查。时钟分布是否正常？逻辑边沿是否符合设计规范？是否有噪音或串扰会对电路造成影响？运行一段时间之后，设备性能是否稳定？或当外部环境，如温度、电源电压和电磁干扰的存在是否影响设计的稳定性？

图1 用PicoScope 2200A 示波器捕捉一个简单的I2C时钟和数据波形的截图。四个图表面板分别显示了不同缩放比例下的波形，允许用户查看波形中感兴趣的部分。

左上角的视图中我们可以看到整个捕获的波形，蓝色的是SDA，红色的是时钟信号。左下角显示的对触发信号的放大，此时脉冲宽度>200us。右上角是放大显示第六个捕获序列的时钟波形，右下角显示的了第二个数据包的时钟和时间关系。

图1用PicoScope 2200A 示波器捕捉一个简单的I2C时钟和数据波形

五、查找毛刺

确保设备能够正常工作之后，下一步可能会寻找故障或其他波形错误，这些可能是由间隙性电路故障引起的。图2显示如何设置一个通用的数字错误条件触发，例如，脉冲宽度、失真、逻辑状态等。

图2 如何设置一个数字错误触发条件

另一个查找间隙性错误的方法是捕捉一个正常的波形，用自定义的容差创建一个波罩，然后进行长时间的波形测试。当测试的波形落在波罩范围之外时，PicoScope 触发一个警报来保存失败的波形，触发蜂鸣器或执行用户自定义的动作。这是一个在无人值守时测试入侵的理想设备。

图4 I2C串行解码

该例子显示了小缓存示波器对几个数据包的解码结果。像PicoScope 5000系列深度缓存示波器缓存高达256M，能够一次性解码成千上百个数据包，用于追踪程序的详细运行情况。任何错误都能够立即被定位到相应的波形上，从而进行分析和调整。

七、功率分析

如果设备是电源供电或者位于电源供电设备附近，测试失败很可能是由于电源的质量问题或者电磁干扰所致。非线性负载和现代功率转换设备会产生复杂的电压和电流波形，这些波形中包含有显著的谐波分量。谐波分量的测试和分析对于解决电源的质量问题是至关重要的。对于设备生产商来说，电源质量，像电压骤降、骤升、峰值、抖动、中断、长时间运行时电压和频率的变化参数的评估，也是至关重要的，因为这是保证在各种供电条件设备能够正常运行的前提。图5 显示了笔记本电脑的电源电压(蓝色波形)和电流(绿色波形)，该电源是非线性的，故有一个很明显的谐波分量，如频域波形所示。黑色的波形是功率波形，是数学通道中由通道A和通道B相乘得到的，单位kW。这种情况下，整体电流消耗很低，这种电源对输送电路没有太苛刻的要求。但是在一些传输大电流的工业设备中，电源输送系统会对连接其上或靠近该电源的设备造成一定的影响。

图5 笔记本电脑的电压和电流波形

八、压力和边缘检测

评估系统中输入信号或者传感器采集到的信号的质量是非常有必要的，这是设计验证过程的一部分。但是，实际测试时，有时候您可能等待很长一段时间之后，传感器才输出一个“坏”信号，客户往往不会给我们那么多的时间去现场验证。此时，我们就可以用信号发生器仿真一个波形，调整波形的频率、幅值、上升下降时间、占空比等参数，测试设备对这些信号的响应。

当然，许多输入信号并不是标准的正弦波、方波和脉冲。对于复杂波形，PicoScope 有内置的任意信号发生器，可以将实际中会出现的异常波形，例如，抖动、噪音、相位和频率的改变等重新发送出来，模拟一个最糟糕的操作环境，从而检查设备是否能够对所有的信号进行正确的响应。

首先，用一个示波器通道将任意信号发生器产生的波形采集下来，然后导入AWG缓存中，设置带产生信号的振幅、频率等参数，然后输出该信号。图6 显示了一个PicoScope 6 捕捉的串行数据流，添加少许毛刺到波形中，然后从AWG中输出——完成整个过程只需要几秒的时间。

图6 任意信号发生器

九、总结

一个工程师设计一个完整产品的情况并不多见，一般情况下一项产品是由一个工程师团队合作研发的，其中有人负责FPGA代码和固件的设计，有人负责驱动，产品包装等。一旦问题出现，团队的所有工程师都能够查看测试数据，修复各自负责模块的bug. 工程师可以发送屏幕截图或者CSV数据文件共享测试数据，当然，这是最基础的。PicoScope软件没有license限制，可以运行在任何一台电脑上，所以工程师可以将现场采集的原始数据发送回设计团队，他们可以用PicoScope来软件进行详细的数据分析，定位设计缺陷、建议额外的测试或者添加到新的AWG文件库中。所以团队间协作有助于快速判断问题根源，从而找到解决问题的办法。