1 利用PicoScope示波器監(jiān)控電源過(guò)程中出現(xiàn)的異常干擾問(wèn)題

下圖1和圖2所示為使用英國(guó)比克科技(Pico Technology)的PicoScope 5444D示波器測(cè)試一個(gè)1.0V電源的連接示意圖：示波器硬件通過(guò)USB 3.0線纜與電腦相連接，示波器軟件PicoScope 6運(yùn)行在PC上，USB 3.0線纜起到通過(guò)電腦的USB口為示波器供電以及將示波器硬件采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端的作用。PicoScope 6軟件對(duì)示波器硬件部件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、測(cè)量、分析。

圖1 PicoScope 5444D電源測(cè)試連接實(shí)物圖

圖2 PicoScope 5444D電源測(cè)試連接示意圖

為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控，我們使用了PicoScope 6軟件中的Mask Limit Testing(模板限定測(cè)試)+Alarm(警報(bào))的組合調(diào)試監(jiān)控功能。

PicoScope 6軟件中的模板限定測(cè)試功能專(zhuān)為生產(chǎn)和調(diào)試環(huán)境打造，可實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)采集的信號(hào)與已知的良好或者標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，以確定實(shí)時(shí)采集的信號(hào)是否符號(hào)規(guī)格要求或者是否有偶發(fā)的異常干擾。起初只需捕獲一個(gè)已知的良好信號(hào)，以其為標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)生成一個(gè)模板圍繞它，然后使用警報(bào)(Alarm)功能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并保存任何觸碰了模板的波形。

基于模板限定測(cè)試和警報(bào)功能，PicoScope 6將捕獲任何偶發(fā)故障并在“測(cè)量”窗口中顯示故障的數(shù)量(仍然可以將其用于其它參數(shù)的測(cè)量)。用戶(hù)還可以設(shè)置波形緩沖區(qū)導(dǎo)航器僅顯示觸碰模板的波形，從而能夠快速查找和定位任何形式的故障。模板文件易于編輯(通過(guò)調(diào)整數(shù)字坐標(biāo)的方式或以拖動(dòng)圖形的方式)、導(dǎo)入和導(dǎo)出、以及用戶(hù)可以在多個(gè)通道上同時(shí)運(yùn)行模板限定測(cè)試功能進(jìn)行多個(gè)通道的波形異常監(jiān)控。

圖3 PicoScope 6中的模板限定測(cè)試和警報(bào)功能

基于警報(bào)(Alarm)功能，用戶(hù)可以對(duì)PicoScope 6進(jìn)行編程，以在發(fā)生某些事件時(shí)執(zhí)行操作?？梢杂|發(fā)警報(bào)的事件包括模板限定測(cè)試失敗、觸發(fā)事件發(fā)生和緩沖區(qū)滿(mǎn)。PicoScope 6的動(dòng)作包括保存文件、播放聲音、執(zhí)行程序以及觸發(fā)示波器標(biāo)配的任意波形發(fā)生器產(chǎn)生所需要的波形。

下圖4、5所示即為使用PicoScope 5444D和PicoScope 6軟件采集監(jiān)控的1.0V電源示意圖，如果電源波形因某種原因產(chǎn)生了波動(dòng)從而觸碰了藍(lán)色模板，軟件下方的測(cè)量窗口會(huì)統(tǒng)計(jì)出失敗的次數(shù)同時(shí)觸碰模板的那一幀波形將被自動(dòng)保存下來(lái)。

圖4 PicoScope 5444D采集監(jiān)控1.0V電源(使用模板限定測(cè)試功能)

圖5 PicoScope 5444D采集監(jiān)控1.0V電源(使用模板限定測(cè)試功能，圖4的局部放大圖)

經(jīng)歷一段時(shí)間的監(jiān)控后，示波器監(jiān)測(cè)到了兩個(gè)相似的觸碰模板的異常，如圖6所示，因?yàn)樵摦惓Ｊ录沁^(guò)了很久才出現(xiàn)，推測(cè)可能來(lái)自于臨近電路或者電子設(shè)備的突然開(kāi)啟可能導(dǎo)致的干擾。而這樣的干擾可能來(lái)自于空間輻射干擾也可能來(lái)自于傳導(dǎo)干擾。

為了查找源頭，我們關(guān)閉模板限定測(cè)試模式，查看當(dāng)前信號(hào)的情況，尤其是是否存在一些有規(guī)律的頻譜分量，于是我們打開(kāi)PicoScope 6軟件的頻譜采集模式，對(duì)當(dāng)前狀態(tài)下的1.0V電源信號(hào)做FFT頻譜分析，分析結(jié)果如下圖7所示，示波器設(shè)置為DC耦合，+/-2V量程范圍，我們看到頻譜中有些明顯的350KHz左右的頻譜分量，而且還存在該頻率的二倍頻、三倍頻等分量，雖然幅度不高，但這個(gè)信息給了我們很重要的線索。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，幾百KHz的干擾信號(hào)一般來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源。首先，我們要先排除那些一直運(yùn)行的電路板或者電子設(shè)備，而重點(diǎn)關(guān)注查找那些在測(cè)試過(guò)程中新開(kāi)啟的設(shè)備，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源在開(kāi)啟的瞬間產(chǎn)生的干擾一般會(huì)具有更大的幅度。逐一切斷新接入的電子設(shè)備的電源，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測(cè)設(shè)備附近的一臺(tái)臺(tái)燈的電源斷開(kāi)后，1.0V電源的頻譜出現(xiàn)了變化，如下圖8所示，350KHz左右的噪聲消失了。

圖6PicoScope 5444D示波器在電源監(jiān)控過(guò)程中捕獲到的異常脈沖

圖7 干擾源存在時(shí)的電源頻譜

圖8 干擾源關(guān)閉時(shí)的電源頻譜

至此，基本可以推斷電源監(jiān)控過(guò)程中的偶發(fā)干擾來(lái)自于臺(tái)燈內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源，在其加電開(kāi)啟的瞬間產(chǎn)生了較大幅度的干擾?；诖朔治?，再次采集臺(tái)燈加電瞬間的電源波形，并用觸發(fā)的方式捕獲可能的較大幅度的干擾信號(hào)，我們順利的反復(fù)采集到明顯的干擾信號(hào)疊加在電源信號(hào)上，如圖9所示。

圖9 干擾源電源開(kāi)啟瞬間產(chǎn)生的干擾脈沖

2 判別干擾是來(lái)自于輻射干擾還是傳導(dǎo)干擾

在EMC/EMI領(lǐng)域中，一般將干擾根據(jù)其傳輸方式分為兩種，一種是輻射干擾，另外一種是傳導(dǎo)干擾。輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。傳導(dǎo)干擾一般是通過(guò)電壓或電流的形式在電路中進(jìn)行傳播的。

在上述測(cè)試中，我們已經(jīng)查找到了干擾源，弄清干擾是通過(guò)輻射的方式還是傳導(dǎo)的方式對(duì)被測(cè)設(shè)備包括測(cè)試儀器施加了影響將有利于我們找到解決問(wèn)題的方案。如果是輻射耦合，那么干擾源與被測(cè)系統(tǒng)的距離會(huì)對(duì)干擾信號(hào)的強(qiáng)度帶來(lái)影響。

由于正常情況下(非切換狀態(tài))干擾信號(hào)的強(qiáng)度往往會(huì)比較微弱，所以我們將示波器設(shè)置為AC耦合，量程設(shè)置為+/-100mV，來(lái)觀察1.0V電源紋波中干擾信號(hào)的情況。我們分別分析三種情況下的時(shí)域和頻域波形：測(cè)試系統(tǒng)與干擾源(臺(tái)燈)距離5cm、測(cè)試系統(tǒng)與干擾源(臺(tái)燈)距離3m、切斷臺(tái)燈電源。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖10~15所示，我們可以看出測(cè)試系統(tǒng)(示波器+探頭+被測(cè)設(shè)備)距離干擾源5cm左右時(shí)，在時(shí)域明顯可見(jiàn)幾十mV的干擾噪聲，在頻域則能清楚的看到在350KHz左右位置有明顯的頻譜峰值(局部放大觀察);當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)距離干擾源3m左右時(shí)，在時(shí)域可見(jiàn)幾mV的干擾噪聲，在頻域350KHz位置干擾信號(hào)已經(jīng)基本消失不見(jiàn);而當(dāng)我們完全切斷干擾源(臺(tái)燈)電源后，在時(shí)域波形上已經(jīng)基本看不到干擾信號(hào)的蹤跡，而頻域波形和3m距離時(shí)的差異不大。這組實(shí)驗(yàn)結(jié)果也給予我們一個(gè)啟示，即從多角度多視角(如頻域和時(shí)域)進(jìn)行問(wèn)題的分析對(duì)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決是很有幫助的。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)、干擾源5cm間距電源時(shí)域波形

圖11 測(cè)試系統(tǒng)、干擾源5cm間距電源頻域波形

圖12 測(cè)試系統(tǒng)、干擾源3m間距電源時(shí)域波形

圖13 測(cè)試系統(tǒng)、干擾源3m間距電源頻域波形

圖14 干擾源關(guān)閉后電源時(shí)域波形

圖15 干擾源關(guān)閉后電源頻域波形

同時(shí)，根據(jù)圖1的連接示意圖，我們知道PicoScope 5444D示波器是和筆記本電腦通過(guò)USB 3.0線纜相連接的，即PicoScope 5444D示波器是和PC共地的，被測(cè)設(shè)備使用兩芯電源供電，其參考地是通過(guò)探頭的接地線與示波器共在一起，如果PC的地平面上因其它電子設(shè)備的接入而產(chǎn)生地彈噪聲，就可能會(huì)影響到示波器、被測(cè)設(shè)備的參考地，從而引發(fā)干擾，為了判別是否有這方面的干擾存在，我們嘗試了斷開(kāi)筆記本電腦的外接電源，使得測(cè)試系統(tǒng)與干擾源供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理隔斷，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾源(臺(tái)燈)正常工作時(shí)，筆記本是否外接電源，測(cè)試結(jié)果幾乎沒(méi)有明顯變化，當(dāng)干擾源突然加電的瞬間，會(huì)有比較微小的變化。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次電源測(cè)試過(guò)程中的干擾源主體是通過(guò)輻射干擾對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行影響的。只要關(guān)閉干擾源，或者遠(yuǎn)離干擾源即可得到可靠的測(cè)試結(jié)果。

3 結(jié)論

干擾無(wú)處不在，在電子設(shè)備調(diào)試、測(cè)試過(guò)程中需要時(shí)刻警惕干擾信號(hào)對(duì)我們的系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果的影響。作為工程師，我們需要有一些必備的工具(如示波器)和基本的技巧和經(jīng)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)、定位、分析干擾信號(hào)，從而提出對(duì)癥的解決方案。

如下為幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

1)測(cè)試時(shí)盡可能的關(guān)閉附近的電子設(shè)備，或者至少不要切換附近電子設(shè)備的狀態(tài);

2)如果測(cè)試時(shí)使用的探頭連線比較長(zhǎng)，也需要注意理順，避免一圈一圈的重疊環(huán)繞在一起從而有利于拾取更多的空間輻射噪聲;

3)使用質(zhì)量可靠的插線板，盡量避免測(cè)試系統(tǒng)與很多其它電子設(shè)備公用一個(gè)插線板;

4)特別留意整個(gè)系統(tǒng)包括測(cè)試設(shè)備、被測(cè)物、其它電子設(shè)備的參考地、安全地之間的連接關(guān)系和路徑，通過(guò)合理安排和設(shè)計(jì)接地、共地、參考地隔離來(lái)減少電子設(shè)備之間的傳導(dǎo)耦合干擾;

5)當(dāng)前的測(cè)試設(shè)備都已經(jīng)智能化，有很多優(yōu)秀的工具能夠幫助工程師快速的發(fā)現(xiàn)、定位和分析問(wèn)題，如本文提到的PicoScope示波器中的模板限定測(cè)試功能、警報(bào)功能、時(shí)域和頻域分析功能等。其實(shí)還有很多高級(jí)觸發(fā)工具，也是查找定位異常問(wèn)題的利器，多掌握些這樣的工具和使用技巧對(duì)硬件調(diào)試和測(cè)試將大有裨益。