使用實時數(shù)字熒光示波器進(jìn)行調(diào)試——發(fā)現(xiàn)問題、定位問題、分析問題

調(diào)試(Debug)的任務(wù)，是要檢查設(shè)計中存在的問題：改正電路中的錯誤，消除設(shè)計里的缺陷，使設(shè)計達(dá)到預(yù)期的功能，并優(yōu)化電路。

調(diào)試的一般過程，我們可以把它歸納為：發(fā)現(xiàn)問題——定位問題——分析問題——解決問題。萬用表、示波器、邏輯分析儀等儀表都是重要的調(diào)試觀察工具。

使用示波器進(jìn)行調(diào)試，準(zhǔn)確、快捷、使用方便是每個使用者的要求。選用合適的工具來工作，可以起到事半功倍的效果。

隱藏在正常信號里的異常(偶發(fā)性故障)，是調(diào)試電路錯誤的一種關(guān)鍵對象。發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性故障對于調(diào)試工具提出了很高的要求——調(diào)試工具的波形捕獲概率要足夠高，漏失率要足夠低，才能快速可靠地發(fā)現(xiàn)這些偶發(fā)的異常，為我們下一步定位問題提供足夠的信息。正像圖四中看到的例子，一秒發(fā)生一次的故障，可能來自于時鐘電路的周期性失效，也可能源于其它電路的干擾。由于這種失效或者干擾的出現(xiàn)概率可能只有幾百萬分之一甚至更低，所以對于傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器不到2%的捕獲概率來講，要以比較高的置信度來發(fā)現(xiàn)這些問題，需要花費很長的時間。這時，數(shù)字熒光示波器的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了，它高達(dá)數(shù)十萬次的波形捕獲率和最高可超過60%的捕獲概率，可以幫助調(diào)試人員迅速“看到”問題，減少在眾多正常信號里面搜尋故障的時間——結(jié)果，您可能只需要幾秒鐘，而不是數(shù)分鐘、數(shù)小時甚至幾天的時間，就能發(fā)現(xiàn)令人頭痛的偶發(fā)性錯誤。

事實上，偶發(fā)性故障對于調(diào)試人員來說本來是未知的——在有限的觀測時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)問題的概率越高，則調(diào)試的效率越高。這時數(shù)字熒光示波器的價值更加明顯——DPO觀測一段時間所獲得的信息量，用數(shù)字存儲示波器可能需要數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的時間才能完成。所以，DPO是現(xiàn)今數(shù)字示波器領(lǐng)域，能最快發(fā)現(xiàn)問題的調(diào)試工具。還是圖四的例子，使用DPO觀測10秒鐘，發(fā)現(xiàn)一秒一次的故障的概率大約是99.99%。而使用數(shù)字存儲示波器，達(dá)到同樣的捕獲概率需要約450秒，也就是七分半鐘，差別一目了然。從這種意義上來講，DPO提供的不僅僅是遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先的效率，更加為調(diào)試人員增添了無以倫比的信心。

發(fā)現(xiàn)問題，完成了調(diào)試中關(guān)鍵的一步。下一步就是定位問題。

在定位問題上，業(yè)界有兩種方法：一種是使用長內(nèi)存，抓取很長的數(shù)據(jù)量，然后通過肉眼觀測或者搜索插件來找到關(guān)心的問題點;另一種是使用觸發(fā)，直接定位需要的的波形細(xì)節(jié)。這兩種方法，實際上是有其技術(shù)背景的：第一種方法是除了泰克公司以外的其它示波器生產(chǎn)商支持的——在沒有DPX并行處理技術(shù)，波形捕獲率低的情況下，“放大網(wǎng)，抓小魚”成了唯一的解決方案;加之這些廠商產(chǎn)品的高級觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬一般在800MHz以下，“抓取——篩選”也是這些示波器最容易實現(xiàn)的對高速信號“定位問題”的方法。數(shù)字熒光示波器更傾向于后一種方法：在DPX波形捕獲技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題以后，使用得到的波形異常信息設(shè)置Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)的高級觸發(fā)條件，直接定位問題。

調(diào)試時使用長內(nèi)存加查找來定位問題，好比是用攝像機攝錄下一段時間的風(fēng)景，然后再返回去查看所有記錄來搜索我們想看的景色;硬件觸發(fā)定位，類似高性能照相機加準(zhǔn)確的快門設(shè)置，直接拍下我們關(guān)心的景色。兩種方法在效率上的優(yōu)劣一看自明。

另一方面，使用長內(nèi)存來直接“定位問題”，并沒有從根本上改善數(shù)字存儲示波器高漏失率的問題。在圖四的例子里面，如果使用目前業(yè)界高速內(nèi)存最長的數(shù)字存儲示波器，其可以提供最高20G的采樣率和100M存儲深度。您可以發(fā)現(xiàn)，即時使用全部100M存儲空間，在20G采樣率下只能無漏失地捕獲5ms長度的波形;而處理這100M的數(shù)據(jù)，這種示波器通常需要幾秒到幾分鐘的時間，漏失概率高達(dá)99.5%以上。所以在不知道偶發(fā)故障主要參數(shù)的前提下使用長內(nèi)存加搜索，其調(diào)試過程好比高射炮打蚊子，命中率極低。

DPO的高波形捕獲率，能在很短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)信號的異常，如毛刺、欠幅脈沖、建立/保持時間違規(guī)、邊沿速率或者單調(diào)性問題等等，并能以色溫等方式告知其發(fā)生頻度。用戶使用基于DPX捕獲技術(shù)的快采(FastAcq)方式捕獲了這些問題以后，就可以使用簡單的如光標(biāo)測量等方式確定其主要參數(shù)，并將這些參數(shù)作為觸發(fā)條件，就可以直接定位故障了。

用來定位故障的觸發(fā)系統(tǒng)，各公司使用的技術(shù)也是不一樣的。雖然各個廠商均宣稱在觸發(fā)系統(tǒng)上使用了SiGe的高速半導(dǎo)體技術(shù)，但是真實效果卻有待研判。泰克公司在中高端數(shù)示波器中使用的Pinpoint雙觸發(fā)系統(tǒng)，使用了完全的SiGe 技術(shù)，這種高帶寬、低功耗、低噪聲的半導(dǎo)體技術(shù)造就了Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)的強大性能：擁有業(yè)界最多的觸發(fā)模式——除了邊沿觸發(fā)外，還提供毛刺、欠幅脈沖、寬度、轉(zhuǎn)化時間、超時、碼型、狀態(tài)、建立/保持時間、窗口、通信相關(guān)觸發(fā)和串行碼型和解碼觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式;業(yè)界最高的觸發(fā)帶寬——前十大類觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬都可高達(dá)9GHz，串行碼型觸發(fā)可支持高達(dá)3.125Gbps的碼流;業(yè)界最強大的組合觸發(fā)模式——通過時間延時或事件延時，以及時間/狀態(tài)/轉(zhuǎn)換復(fù)位控制，Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)可提供超過1400種組合觸發(fā)模式。所以該觸發(fā)系統(tǒng)可以幾乎不受限制地設(shè)置各種觸發(fā)條件。相比起來，其它廠商的示波器觸發(fā)系統(tǒng)，一般僅僅能在邊沿觸發(fā)這種繼承于模擬示波器的觸發(fā)模式上有可與示波器匹配的觸發(fā)帶寬。而在高級(智能、違規(guī))觸發(fā)模式下，這些示波器一般僅能夠提供不高于800MHz的觸發(fā)能力。這對于當(dāng)前的高性能、超高性能示波器來說幾乎沒有任何意義。

有些調(diào)試人員可能會有這樣的疑問：用DPX快采看到的故障，如果是不可重復(fù)的，那觸發(fā)系統(tǒng)再強大也捕獲不了啊?不錯，如果故障是單次的、不可重復(fù)的，那示波器是不能重新捕獲的。但是，您完全沒有必要擔(dān)心，事實上，純粹的不可重復(fù)故障并不是調(diào)試工作的任務(wù)，我們在調(diào)試時也不必關(guān)心這種問題。它可能源自一些非本電路的原因，如電力系統(tǒng)偶然失效、突發(fā)外部EMI干擾等——既然不會重復(fù)，我們?yōu)槭裁匆獡?dān)心呢?

當(dāng)然，如果調(diào)試人員已經(jīng)習(xí)慣使用長內(nèi)存的方式定位故障，DPO也能勝任。實時數(shù)字熒光示波器是現(xiàn)在業(yè)界內(nèi)存最長、處理速度最快的產(chǎn)品。它能在每通道上提供100M存儲深度，單通道下最高可達(dá)400M。400M是一個非常優(yōu)秀的指標(biāo)，在20G采樣率下，400M存儲深度可以捕獲從工頻50Hz直到示波器滿帶寬的頻譜成份，這在高性能示波器里面還是首屈一指的。

下面就是分析問題。示波器能提供的分析方法一般有：自動測量、數(shù)學(xué)運算、頻譜分析、濾波和其它分析?，F(xiàn)代示波器一般都使用開放式的Windows操作系統(tǒng)，較為容易實現(xiàn)分析功能的擴展。

DPO提供的標(biāo)準(zhǔn)配置分析功能很多。在自動測量方面，有關(guān)于幅度、時間、組合、直方圖和眼圖的53種測試項;在數(shù)學(xué)運算方面，有數(shù)十種運算符號可供調(diào)試人員自由編輯;頻譜分析方面，除了一般示波器可以提供的基本FFT頻譜分析儀外，DPO還提供高級的FFT分析，您可以設(shè)置中心頻率、頻譜跨度、分辨率帶寬和選擇合適的窗口函數(shù)(總共8種);DPO也提供用戶自定義的FIR濾波器功能，用戶可以使用低通、高通、帶通、帶阻、平滑等濾波器。此外，泰克還提供幾十個免費小插件，使用這些小插件，可以輕松實現(xiàn)諸如“觸發(fā)-存盤”、“測量-歸檔”這樣的自動操作。另外，通過選件支持，用戶還可以進(jìn)行抖動分析、功率測量等高級測量。

有幾個分析工具是值得注意的：第一個是快幀(FastFrame)，它能將內(nèi)存分段，連續(xù)觸發(fā)，用戶可設(shè)置觸發(fā)捕獲次數(shù)。當(dāng)示波器捕獲用戶要求的次數(shù)后，每次捕獲的信息都存入內(nèi)存。用戶可以觀察每次捕獲的波形(觀察單個或者疊放)，并且可以了解每次觸發(fā)的時間(精確到皮秒)。這個功能對測量故障或者低占空比脈沖信號的頻率和重復(fù)性有很大的幫助。和業(yè)界其它類似功能相比，DPO的快幀功能擁有最快的連續(xù)觸發(fā)速率和最準(zhǔn)確的定時精度;

第二個是DPX快采數(shù)據(jù)的自動測量功能。之前有人認(rèn)為DPX快采的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行測試。事實上，DPX采集生成的波形數(shù)據(jù)庫不僅可以測量，而且由于其本來就有統(tǒng)計效果，所以該三維數(shù)據(jù)庫的信息用作重復(fù)信號或者有重復(fù)特性的信號的測量時，標(biāo)準(zhǔn)偏差(std. deviation)還較其它采集模式下小很多，亦即測試結(jié)果更準(zhǔn)確。

在調(diào)試中，工作效率除了體現(xiàn)在快速發(fā)現(xiàn)問題、準(zhǔn)確定位問題和精確測量外，儀器的易用性也十分重要?，F(xiàn)代示波器的功能越來越豐富，性能也日益強大，其操作也變得越來越復(fù)雜。為了讓調(diào)試人員專注于設(shè)計本身而不是測試儀器，DPO專門設(shè)計了用戶自定義操作界面的MyScope(我的示波器)和Windows風(fēng)格的鼠標(biāo)右鍵彈出菜單功能。MyScope使示波器操作人員可以根據(jù)自己的使用風(fēng)格和操作習(xí)慣，自由地將操作按鈕組合成自己需要的操作界面。這樣，MyScope操作面板可只包含用戶需要的按鈕，而其它不用的功能可以被完全忽略掉——于是用戶將不再在眾多復(fù)雜的菜單列表里尋找自己需要的功能——只要簡單地打開“我的示波器”操作界面即可。更加簡便的是，MyScope的自定義過程是完全的圖形界面操作，您無須編寫script，使用鼠標(biāo)拖拽即可。

鼠標(biāo)右鍵的彈出菜單，是用戶操作時，可以在顯示界面的特定位置(如測量結(jié)果、采集狀態(tài)、通道標(biāo)號、觸發(fā)方式等等)上點擊鼠標(biāo)右鍵，即有與該位置所指示的參數(shù)相關(guān)的設(shè)置菜單彈出。熟悉Windows風(fēng)格的用戶可以使用這一功能，幾乎只用一只鼠標(biāo)就可以完成所有的示波器操作，效率倍增。

從以上幾點我們可以看到：采用DPX技術(shù)的DPO平臺示波器和傳統(tǒng)示波器相比，快速采集能夠最快最可靠地發(fā)現(xiàn)問題;Pinpoint硬件實時觸發(fā)系統(tǒng)能夠更精確地定位問題;FastFrame快采、自動測量、數(shù)學(xué)運算、FIR濾波器等功能可以從各種角度分析問題;同時，MyScope、鼠標(biāo)右鍵彈出菜單等可以提高操作效率，降低工作復(fù)雜程度。這些都讓DPO數(shù)字熒光示波器成為當(dāng)今業(yè)界功能最強大、效率最高、分析能力最強的調(diào)試工具。