如何用Pico示波器進(jìn)行故障診斷

------上海子爾

當(dāng)今，工程師面臨著越來(lái)越嚴(yán)苛和復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。有時(shí)候設(shè)備在實(shí)驗(yàn)中能夠正常工作，但是在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，一方面會(huì)引起客戶的不滿，一方面可能會(huì)造成生產(chǎn)損失，昂貴的維修費(fèi)用，甚至帶來(lái)安全隱患。每當(dāng)這個(gè)時(shí)候，客戶總是希望現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行故障定位并維修以便于他們恢復(fù)生產(chǎn)，這就給故障診斷工程師帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)場(chǎng)診斷時(shí)，工程師往往需要隨身攜帶一套小巧輕便、但功能強(qiáng)大的分析工具，捕捉波形異常，例如 定時(shí)錯(cuò)誤、串?dāng)_、瞬態(tài)、電源質(zhì)量測(cè)試問(wèn)題等，從而來(lái)進(jìn)行設(shè)備功能測(cè)試、故障定位、錯(cuò)誤追蹤等。

　　PicoScope示波器非常小，甚至能夠放在襯衣的口袋中或筆記本電腦包中，很方便隨身攜帶。同時(shí)其功能和性能也非常強(qiáng)大，能夠媲美甚至超過(guò)許多實(shí)驗(yàn)室儀器，幫助工程師處理現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)——更快、更容易解決故障。

本文將回顧一些常用的故障診斷案例，并介紹如何用PicoScope2200A和5000系列示波器捕捉和查找波形異常從而來(lái)判斷問(wèn)題所在。

一、實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)驗(yàn)證

產(chǎn)品設(shè)計(jì)不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，工程師們一般需要掌握所有的實(shí)驗(yàn)室工具以保證設(shè)計(jì)的圓滿完成。這些基本工具包括自動(dòng)設(shè)計(jì)和仿真工具、一系列硬件驗(yàn)證工具，例如：一臺(tái)示波器、一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、DVM、精密激勵(lì)電源等等。除此以外，一旦遇到問(wèn)題，也可以進(jìn)行團(tuán)隊(duì)間的協(xié)作，例如，一個(gè)FPGA工程師遇到一個(gè)存儲(chǔ)器接口問(wèn)題，他可以跟硬件研發(fā)經(jīng)理聯(lián)系，請(qǐng)求其團(tuán)隊(duì)的工程師一起檢查和解決問(wèn)題。

二、現(xiàn)場(chǎng)故障診斷

設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)一旦出現(xiàn)故障，那跟實(shí)驗(yàn)室的情況完全不一樣。首先，客戶會(huì)對(duì)產(chǎn)品有意見(jiàn)，覺(jué)得產(chǎn)品質(zhì)量不好，同時(shí)會(huì)要求廠家?guī)椭鉀Q問(wèn)題。如果產(chǎn)品用于生產(chǎn)過(guò)程，那么由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷引起的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的，所以時(shí)間是及其重要的。更糟糕的是，如果產(chǎn)品用于安全性至關(guān)重要的領(lǐng)域或者醫(yī)療行業(yè)，產(chǎn)品故障可能致使生命陷入危險(xiǎn)之中。因此工程師們找到和解決設(shè)計(jì)缺陷的壓力是非常大的。

　　一旦出現(xiàn)故障，倒霉的設(shè)計(jì)工程師就需要被派遣到應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，在完全陌生的環(huán)境下，幫助客戶解決那個(gè)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中從不曾出現(xiàn)過(guò)的設(shè)計(jì)缺陷，沒(méi)有直接的團(tuán)隊(duì)幫助。而且，運(yùn)輸急需的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)候是不切實(shí)際的，一方面來(lái)設(shè)備體積大不便于運(yùn)輸，一方面可能內(nèi)部設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在使用這些設(shè)備。

此時(shí)，一臺(tái)小型、輕便、功能上類似于或超越實(shí)驗(yàn)室硬件驗(yàn)證工具的設(shè)備是非常有必要的。 它還要求能夠共享現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的其他成員了解到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的故障，以便于共同找到問(wèn)題的根源和解決辦法。

三、PicoScope 軟件

Pico USB 示波器是一款小型、輕便、新型的能夠替代傳統(tǒng)臺(tái)式示波器的儀器。體積小巧，可以直接放在筆記本電腦包中，同時(shí)其功能一點(diǎn)也不低于普通的臺(tái)式示波器。 Pico示波器提供2個(gè)和4個(gè)通道，500MHz帶寬，一個(gè)內(nèi)置信號(hào)源和16個(gè)數(shù)字通道。高級(jí)觸發(fā)、串行解碼、波罩測(cè)試、波形數(shù)學(xué)運(yùn)算等高級(jí)功能也包含其中。高達(dá)2G的存儲(chǔ)深度使PicoScope用戶能夠?qū)崟r(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，同時(shí)其他的工程師也可以用他們電腦上免費(fèi)的Picoscope 軟件進(jìn)行離線或者遠(yuǎn)程分析。

本文我們將舉例說(shuō)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進(jìn)行故障診斷的。

四、基本信號(hào)完整性測(cè)量

正在尋找設(shè)計(jì)缺陷的工程師的第一個(gè)任務(wù)是基本信號(hào)完整性測(cè)試和定時(shí)檢查。時(shí)鐘分布是否正常？邏輯邊沿是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范？是否有噪音或串?dāng)_會(huì)對(duì)電路造成影響？運(yùn)行一段時(shí)間之后，設(shè)備性能是否穩(wěn)定？或當(dāng)外部環(huán)境，如溫度、電源電壓和電磁干擾的存在是否影響設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性？

　　圖1 用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C時(shí)鐘和數(shù)據(jù)波形的截圖。四個(gè)圖表面板分別顯示了不同縮放比例下的波形，允許用戶查看波形中感興趣的部分。

左上角的視圖中我們可以看到整個(gè)捕獲的波形，藍(lán)色的是SDA，紅色的是時(shí)鐘信號(hào)。左下角顯示的對(duì)觸發(fā)信號(hào)的放大，此時(shí)脈沖寬度>200us。右上角是放大顯示第六個(gè)捕獲序列的時(shí)鐘波形，右下角顯示的了第二個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)鐘和時(shí)間關(guān)系。

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圖1用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C時(shí)鐘和數(shù)據(jù)波形

五、查找毛刺

確保設(shè)備能夠正常工作之后，下一步可能會(huì)尋找故障或其他波形錯(cuò)誤，這些可能是由間隙性電路故障引起的。圖2顯示如何設(shè)置一個(gè)通用的數(shù)字錯(cuò)誤條件觸發(fā)，例如，脈沖寬度、失真、邏輯狀態(tài)等。

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圖2 如何設(shè)置一個(gè)數(shù)字錯(cuò)誤觸發(fā)條件

另一個(gè)查找間隙性錯(cuò)誤的方法是捕捉一個(gè)正常的波形，用自定義的容差創(chuàng)建一個(gè)波罩，然后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的波形測(cè)試。當(dāng)測(cè)試的波形落在波罩范圍之外時(shí)，PicoScope 觸發(fā)一個(gè)警報(bào)來(lái)保存失敗的波形，觸發(fā)蜂鳴器或執(zhí)行用戶自定義的動(dòng)作。這是一個(gè)在無(wú)人值守時(shí)測(cè)試入侵的理想設(shè)備。

圖4 I2C串行解碼

該例子顯示了小緩存示波器對(duì)幾個(gè)數(shù)據(jù)包的解碼結(jié)果。像PicoScope 5000系列深度緩存示波器緩存高達(dá)256M，能夠一次性解碼成千上百個(gè)數(shù)據(jù)包，用于追蹤程序的詳細(xì)運(yùn)行情況。任何錯(cuò)誤都能夠立即被定位到相應(yīng)的波形上，從而進(jìn)行分析和調(diào)整。

七、功率分析

如果設(shè)備是電源供電或者位于電源供電設(shè)備附近，測(cè)試失敗很可能是由于電源的質(zhì)量問(wèn)題或者電磁干擾所致。非線性負(fù)載和現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換設(shè)備會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電壓和電流波形，這些波形中包含有顯著的諧波分量。諧波分量的測(cè)試和分析對(duì)于解決電源的質(zhì)量問(wèn)題是至關(guān)重要的。對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，電源質(zhì)量，像電壓驟降、驟升、峰值、抖動(dòng)、中斷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)電壓和頻率的變化參數(shù)的評(píng)估，也是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@是保證在各種供電條件設(shè)備能夠正常運(yùn)行的前提。圖5 顯示了筆記本電腦的電源電壓(藍(lán)色波形)和電流(綠色波形)，該電源是非線性的，故有一個(gè)很明顯的諧波分量，如頻域波形所示。黑色的波形是功率波形，是數(shù)學(xué)通道中由通道A和通道B相乘得到的，單位kW。這種情況下，整體電流消耗很低，這種電源對(duì)輸送電路沒(méi)有太苛刻的要求。但是在一些傳輸大電流的工業(yè)設(shè)備中，電源輸送系統(tǒng)會(huì)對(duì)連接其上或靠近該電源的設(shè)備造成一定的影響。

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圖5 筆記本電腦的電壓和電流波形

八、壓力和邊緣檢測(cè)

評(píng)估系統(tǒng)中輸入信號(hào)或者傳感器采集到的信號(hào)的質(zhì)量是非常有必要的，這是設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程的一部分。但是，實(shí)際測(cè)試時(shí)，有時(shí)候您可能等待很長(zhǎng)一段時(shí)間之后，傳感器才輸出一個(gè)“壞”信號(hào)，客戶往往不會(huì)給我們那么多的時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。此時(shí)，我們就可以用信號(hào)發(fā)生器仿真一個(gè)波形，調(diào)整波形的頻率、幅值、上升下降時(shí)間、占空比等參數(shù)，測(cè)試設(shè)備對(duì)這些信號(hào)的響應(yīng)。

當(dāng)然，許多輸入信號(hào)并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波、方波和脈沖。對(duì)于復(fù)雜波形，PicoScope 有內(nèi)置的任意信號(hào)發(fā)生器，可以將實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)的異常波形，例如，抖動(dòng)、噪音、相位和頻率的改變等重新發(fā)送出來(lái)，模擬一個(gè)最糟糕的操作環(huán)境，從而檢查設(shè)備是否能夠?qū)λ械男盘?hào)進(jìn)行正確的響應(yīng)。

首先，用一個(gè)示波器通道將任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形采集下來(lái)，然后導(dǎo)入AWG緩存中，設(shè)置帶產(chǎn)生信號(hào)的振幅、頻率等參數(shù)，然后輸出該信號(hào)。圖6 顯示了一個(gè)PicoScope 6 捕捉的串行數(shù)據(jù)流，添加少許毛刺到波形中，然后從AWG中輸出——完成整個(gè)過(guò)程只需要幾秒的時(shí)間。

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圖6 任意信號(hào)發(fā)生器

九、總結(jié)

一個(gè)工程師設(shè)計(jì)一個(gè)完整產(chǎn)品的情況并不多見(jiàn)，一般情況下一項(xiàng)產(chǎn)品是由一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的，其中有人負(fù)責(zé)FPGA代碼和固件的設(shè)計(jì)，有人負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)品包裝等。一旦問(wèn)題出現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)的所有工程師都能夠查看測(cè)試數(shù)據(jù)，修復(fù)各自負(fù)責(zé)模塊的bug. 工程師可以發(fā)送屏幕截圖或者CSV數(shù)據(jù)文件共享測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這是最基礎(chǔ)的。PicoScope軟件沒(méi)有license限制，可以運(yùn)行在任何一臺(tái)電腦上，所以工程師可以將現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)發(fā)送回設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，他們可以用PicoScope來(lái)軟件進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，定位設(shè)計(jì)缺陷、建議額外的測(cè)試或者添加到新的AWG文件庫(kù)中。所以團(tuán)隊(duì)間協(xié)作有助于快速判斷問(wèn)題根源，從而找到解決問(wèn)題的辦法。