利用PicoScope監(jiān)控電源過程中出現(xiàn)的異常干擾問題
下圖1和圖2所示為使用英國比克科技（PicoTechnology）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USB 3.0線纜與電腦相連接，示波器軟件PicoScope6運(yùn)行在PC上，USB 3.0線纜起到通過電腦的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。PicoScope6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 LimitTesting（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。
基于警報(bào)（Alarm）功能，用戶可以對(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。PicoScope6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。
圖3 PicoScope 6中的模板限定測(cè)試和警報(bào)功能
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。
圖4 PicoScope5444D采集監(jiān)控1.0V電源 圖5 PicoScope5444D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^了很久才出現(xiàn)，推測(cè)可能來自于臨近電路或者電子設(shè)備的突然開啟可能導(dǎo)致的干擾。
圖6PicoScope 5444D示波器在電源監(jiān)控過程中捕獲到的異常脈沖
因?yàn)樵摦惓Ｊ录沁^了很久才出現(xiàn)，推測(cè)可能來自于臨近電路或者電子設(shè)備的突然開啟可能導(dǎo)致的干擾。而這樣的干擾可能來自于空間輻射干擾也可能來自于傳導(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)一般來自于開關(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)試過程中新開啟的設(shè)備，因?yàn)殚_關(guān)電源在開啟的瞬間產(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)控過程中的偶發(fā)干擾來自于臺(tái)燈內(nèi)的開關(guān)電源，在其加電開啟的瞬間產(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 干擾源電源開啟瞬間產(chǎn)生的干擾脈沖
結(jié)論
干擾無處不在，在電子設(shè)備調(diào)試、測(cè)試過程中需要時(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，通過合理安排和設(shè)計(jì)接地、共地、參考地隔離來減少電子設(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。
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