電路開發(fā)的基本測試儀器與測試方法

1、課 程 設 計課程名稱微型計算機原理及應用題目名稱電路開發(fā)的基本測試儀器與測試方法專業(yè)班級15級自動化卓越工程師（1）班學生姓名蔡家鑫、陳梓楷、鄧中奮、 郭子維、 洪澤欽指導教師李衛(wèi)軍2017年5月12日摘要本文介紹了電路開發(fā)的基本測試儀器的性能特征以及在電路故障診斷中儀器的測試方法。在電路故障檢測中,正確的測試方法可以大大提高操作人員的測試速度和準確性,便于測試人員做出準確的故障判斷,提高工作效率。本文分別介紹了數(shù)字示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀、任意波形發(fā)生器的基本原理、使用方法與主要性能指標，以及采用邏輯分析儀對電路進行時序調試。內容通俗易懂，符合科學性，內容講解詳細，是很好的電路調試參

2、考文獻，非常適用初學者學習參考。關鍵詞：電路調試、數(shù)字示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀、 任意波形發(fā)生器目錄1.數(shù)字示波器的原理及使用方法61.1概述61.2數(shù)字示波器的分類61.3數(shù)字示波器的原理61.3.1系統(tǒng)控制部分71.3.2取樣存儲部分71.3.3讀出顯示部分81.4數(shù)字示波器的技術特性及功能81.4.1光標數(shù)字讀出測量方式81.4.2儲存和取出波形參數(shù)81.4.3自動測量功能81.4.4“滾動”與“單次捕獲”91.5數(shù)字示波器的使用91.6數(shù)字示波器的主要性能指標111.6.1帶寬111.6.2采樣率111.6.3存儲深度121.6.4上升時間121.6.5頻率響應122.基于DDS

3、技術的任意波形發(fā)生器122.1 DDS技術132.2 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器142.2.1 波形產生的方法152.2.2 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器的優(yōu)缺點162.3 任意波形發(fā)生器的主要性能指標。163. 頻譜分析儀原理及使用方法163.1 頻譜分析儀基礎163.2頻譜儀基本概念173.3頻譜儀原理的實現(xiàn)183.4頻譜儀基本測量193.5頻譜分析儀誤差分析213.6頻譜儀基本使用214.邏輯分析儀的原理234.1數(shù)據(jù)域分析的概念234.2邏輯分析儀的特點234.3邏輯分析儀的分類244.4邏輯分析儀的組成244.5觸發(fā)方式254.6采樣方式274.7 顯示方式295. 使用邏輯分

4、析儀調試時序問題325.1概述325.2調試儀器及其簡介325.3調試步驟325.31尋找探測點。325.32挑選探頭。335.33邏輯分析儀的性能考慮。335.34檢查總線。335.35檢查信號線。345.36了解故障細節(jié)。345.37觀察模擬波形。355.4 小結36參考文獻371.數(shù)字示波器的原理及使用方法1.1概述數(shù)字示波器是智能化數(shù)字存儲示波器的簡稱，是模擬示波器技術、數(shù)字化測量技術、計算機技術的綜合產物。它能夠長期存儲波形，可進行負延時觸發(fā)，便于觀測單次過程和緩變信號，具有多種顯示方式和多種輸出方式，同時還可以進行數(shù)學計算和數(shù)據(jù)處理，功能擴展也十分方便，比普通模擬示波器具有更強大的

5、功能，因此在電子電信類實驗室中使用越來越廣泛1.2數(shù)字示波器的分類數(shù)字示波器有三大類：第一類將信號數(shù)字化后再建波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號，以及不同時間不同地點觀測到的信號的數(shù)字儲存示波器DSO(Digital Storage Oscilloscope) ；第二類通過多層次輝度或彩色可顯示長時間內信號的變化情況的數(shù)字熒光示波器DPO（Digital Phosphor Oscilloscope）；第三類是能把數(shù)字示波器對信號細節(jié)的分析能力和邏輯分析儀多通道定時測量能力組合在一起，可用于分析數(shù)?；旌闲盘柦换ビ绊懙幕旌闲盘柺静ㄆ鱉SO（

6、Mixed Signal Oscilloscope）。而我們最常用的是第一類數(shù)字儲存示波器DSO1.3數(shù)字示波器的原理數(shù)字示波器可以分為取樣存儲部分、讀出顯示部分和系統(tǒng)控制部分等三大部分，它們之間通過數(shù)據(jù)總線、地址總線以及控制總線相互聯(lián)系和交換信息，以完成各種測量功能，其基本組成框圖如圖1所示。1.3.1系統(tǒng)控制部分由鍵盤、只讀存儲器(ROM)、CPU 及I/O接口等組成。在ROM內寫有儀器的管理程序，在管理程序的控制下。對鍵盤進行掃描產生掃描碼，接受使用者的操作，以便設定輸入靈敏度、掃描速度、讀寫速度等參數(shù)和各種測試功能。1.3.2取樣存儲部分主要由輸入通道、取樣保持電路、取樣脈沖形成電路、

7、A/D轉換器、信號數(shù)據(jù)存儲器等組成。取樣保持電路在取樣脈沖的控制下，對被測信號進行取樣，經A/D轉換器變換成數(shù)字信號，然后存入信號數(shù)據(jù)存儲器中。取樣脈沖的形成受觸發(fā)信號的控制，同時也受控制。取樣和存儲過程如圖 所示。 1.3.3讀出顯示部分由顯示緩沖存儲器、D/A轉換器、 掃描發(fā)生器、放大器、放大器和示波管電路組成。它在接到讀命令后，先將存儲在顯示緩沖存儲器中的數(shù)字信號送D/A轉換器，將其重新恢復成模擬信號，經放大后送示波管，同時掃描發(fā)生器產 生的掃描階梯波電壓把被測信號在水平方向展 開，從而將信號波形顯示在屏幕上。讀出和顯示過 程如圖所示。1.4數(shù)字示波器的技術特性及功能1.4.1光標數(shù)字讀

8、出測量方式通常,數(shù)字示波器都具有4 條測量光標,2條電壓光標(水平)和2條時間光標(垂直)。它們分別用來在屏幕上標示出所測量的電壓差V或時間差t；若電壓光標1(下)處于零電平,則電壓光標2(上)的位置就是對零點的電壓V,由熒火屏或 LCD 顯示器上的數(shù)字與符號顯示測量值、極性與單位;當時間光標1(左)取在t=0的參考點,則時間光標2(右)所在位置即是相對于時間起點(零時刻)的時間間隔t1.4.2儲存和取出波形參數(shù)這是第一、三類數(shù)字示波器的特有功能。它們具有16k通道存儲容量。數(shù)字化存儲波形參數(shù)比模擬記憶示波器具有突出的優(yōu)點,信號不衰減,易于取出復現(xiàn)和進行計算機分析處理。 尤其用DSO觀測瞬間動

9、態(tài)過程或在現(xiàn)場、野外測試,則可將測量結果隨數(shù)字存儲示波器帶回到研究室或實驗室進行細致的分析和數(shù)據(jù)處理。1.4.3自動測量功能在使用數(shù)字示波器時，借助光標與數(shù)字顯示，按程序自動完成波形的顯示和波形參數(shù)的計算與數(shù)字化測量，包括：被觀測電壓信號（可以是自傳感器送入的電壓信號）的最大/小值、峰-峰值、平均值、有效值、脈沖的寬度、上升/下降的時間、信號頻率、周期、相位差的測量，時間軸掃描參數(shù)的自動設置和一起自身的自動校準等。1.4.4“滾動”與“單次捕獲”“滾動” 功能用于觀測較慢速的信號,其信息流自熒光屏的一側連續(xù)移動到另一側,按下“滾動”鍵即可實現(xiàn)此操作。當發(fā)現(xiàn)需要捕捉或恰是所要研究的信號波形顯示時

10、,即刻利用“鎖存”鍵鎖定。用于捕捉,觀測單次瞬變波形:負觸發(fā)延遲用于超前觸發(fā);正觸發(fā)延遲用于滯后觸發(fā)。觸發(fā)量可以自行選擇。1.5數(shù)字示波器的使用數(shù)字示波器的面板介紹屏幕刻度和標記信息探頭：為在測試點或信號源與示波器之間建立一條信號的物理連接。但在首次將探頭與任一輸入通道連接時，進行此項調節(jié)，使探頭與輸入通道相配。未經補償或補償偏差的探頭會導致測量誤差或錯誤。將探頭菜單衰減系數(shù)設定為10X，將探頭上的開關設定為10X，并將示波器探頭與通道1連接。如使用探頭鉤形頭，應確保與探頭接觸緊密。將探頭端部與探頭補償器的信號輸出連接器相連，基準導線夾與探頭補償器的地線連接器相連，打開通道1，然后按 AUTO

11、 如必要用探頭補償調節(jié)棒或者非金屬質地的改錐調整探頭上的可變電容，直到屏幕顯示的波形如圖的“補償正確”。按鍵功能簡介Acquire: 采樣、峰值檢測、平均值、記錄長度Display: 類型、矢量、波形保持、波形更新、對比Utility: 打印機菜單、接口菜單、蜂鳴器、語言菜單、下一項Program:編輯、步驟（可編輯15組）、記憶/菜單/時間設置、儲存Cursor: 信源（CH1 CH2）、水平、垂直Measure: 峰峰值、振幅、平均值、均方根值、頂端值、低端值、最大值（電壓）、最小值、頻率、周期、上升時間、下降時間、正脈沖寬度、負脈沖寬度、占空比（正脈沖寬度/周期）*100%RUN/Sto

12、p：開始和停止波形采集垂直控制區(qū)域（1）CH1、CH2的position旋鈕：調節(jié)波形的垂直位置（2）CH1、CH2的菜單按鈕：顯示垂直波形功能和顯示相關。當CH1或CH2被選擇時，垂直菜單依次包括有：耦合方式、反向顯示、頻寬限制設定鍵、探頭衰減、輸入阻抗顯示（3）MATH功能按鈕：選擇不同的數(shù)學處理功能。可選擇CH1+CH2、CH1-CH2或FFT(快速傅里葉轉換)（4）REF：參考波形。打開這個功能前必須先在示波器中存入一 個波形，再用REF調出這個波形，用這個波形做為一個標準波形，用新測的波形看是否與參考波形重合來判斷信號是否好壞。水平控制區(qū)域（1）MENU：選擇水平功能的開關?？刂扑x

13、波形的時基，水平位置和水平值（2）Position旋鈕：調節(jié)波形的水平位置（3）旋鈕：調節(jié)所選波形的水平刻度觸發(fā)控制（1）MENU:選擇觸發(fā)類型（邊緣觸發(fā)、視頻觸發(fā)、脈沖觸發(fā)、延 遲觸發(fā)）、觸發(fā)源和觸發(fā)模式（2）LEVEL：調節(jié)觸發(fā)基準1.6數(shù)字示波器的主要性能指標1.6.1帶寬數(shù)字示波器帶寬指輸入不同頻率的等幅 正弦波信號，當輸出波形的幅度隨頻率變化下降到實際幅度的70.7時的頻率值（即f-3dB）。帶寬決定了數(shù)字示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，數(shù)字示波器對信號的準確顯示能力下降。實際測試中我們會發(fā)現(xiàn)，當被測信號的頻率與數(shù)字示波器帶寬相近時，數(shù)字示波器將無法分辨信號的高頻變化

14、，顯示信號出現(xiàn)失真。1.6.2采樣率指采樣設備單位時間內對待測信號采樣的次數(shù)，表示為樣點數(shù)每秒（S/s）。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丟失的概率就越小，信號重建時也就越真實。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率要大于等于2倍的被測信號頻率，才能不失真地還原原始信號。但這個定理的前提是基于無限長的時間和連續(xù)的信號，在實際測試中，數(shù)字示波器的技術無法滿足此條件。數(shù)字示波器為了準確地再現(xiàn)原始信號，采樣速率一般為原始信號最高頻率的2.5-10倍。 1.6.3存儲深度 存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。如果需要不間斷的捕捉一個脈沖串，則要求示波器有足夠的內存以

15、便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以精確重現(xiàn)信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱記錄長度。在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短，他們之間是一個反比關系。1.6.4上升時間 上升時間的定義為脈沖幅度從10上升到90的這段時間，它反映了數(shù)字示波器垂直系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。數(shù)字示波器必須要有足夠快的上升時間，才能準確地捕獲快速變換的信號細節(jié)。數(shù)字示波器的上升時間越快，對信號的快速變換的捕獲也就越準確。1.6.5頻率響應 頻率響應為當輸入不同頻率的等幅正弦波信號時的響應性能，它包含從直流或交流低頻幾赫茲的正弦信號一直到無法顯示幅度的頻率為止的全部頻率范圍內的幅度響應。實際

16、測量中只考慮帶寬性能還不足以保證數(shù)字示波器能夠準確重現(xiàn)原始信號， 在對數(shù)字示波器計量工作中，我們發(fā)現(xiàn)有的數(shù)字示波器頻率響應曲線在低頻段并不平坦，會出現(xiàn)較大的起伏，如果測試相應頻率的信號就會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。2. 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器波形發(fā)生器是在電路設計與調試中應用很多的一種信號發(fā)生裝置和信號源。一般的信號源只能產生幾種固定形狀的波形，而任意波形示波器（AWG）可以創(chuàng)造和產生任何可以設想的波形，大大方便了人們的設計與調試。作為當代最新的一類信號源，它正日益引起人們的重視。任意波形發(fā)生（Arbitary Waveform Generator）的主要工作原理有兩種：一種是基于直接數(shù)字合成（D

17、irect Digital Synthesis）技術,即DDS技術的AWG；另一種是傳統(tǒng)的AWG。本章將主要介紹直接數(shù)字頻率合成技術的原理以及運用此技術的任意波形發(fā)生器。2.1 DDS技術DDS的基本理論雖然早在70年代就已經提出來了，但是由于硬件條件的限制，它在初期并沒有得到很大的重視。隨著現(xiàn)代電子技術和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，DDS技術得到了飛速的發(fā)展，并且已經成為最重要的頻率合成技術，現(xiàn)在也被廣泛應用于任意波形發(fā)生器。根據(jù)傅里葉變換定理，任意周期信號都可以分解為一系列正弦或余弦信號之和，不失一般性，以正弦信號的產生為例想詳細說明直接數(shù)字頻率合成技術的原理。DDS系統(tǒng)的結構有很多種，但是基本

18、的電路原理可以用圖2-1表示。 圖2-1 DDS技術原理框圖DDS技術是建立在采樣原理的基礎上，通過查表法產生波形。首先需要對需要產生的波形進行采樣，將采用值數(shù)字化后存入存儲器作為查找表，然后通過查找表將數(shù)據(jù)讀出，經D/A轉換器轉換成模擬量，把存入的波形重新合成出來。 DDS系統(tǒng)有一個時鐘信號作為參考時鐘同步系統(tǒng)的各個組成部分。頻率字（FSW）實際上就是相位增加量，每個時鐘脈沖輸入時，相位累加器都會把頻率字累加一次，對應地輸出也增加了相位。相位累加器的輸出接在了波形存儲器的地址線上，因此其輸出的改變就相當于查表，于是把存儲在存儲器里的波形抽樣值經查找表查出。ROM的輸出送到D/A轉換器轉換為模

19、擬量輸出，然后經過濾波器得到較為平整的信號。相位累加器加到一定值后，受到其字長的限制，輸出將會溢出，這樣便是波形存儲器的地址循環(huán)了一次。所以改變頻率字增量，就可以改變相位累加器的溢出時間，在時鐘頻率不變的情況下，就可以改變輸出頻率?？梢杂孟铝惺阶颖硎据敵鲱l率f0 與系統(tǒng)時鐘頻率fs 之間的關系： 其中，d為頻率字，N為相位累加器的字長。例1：假設在波形存儲器內存儲了1024個波形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)d時鐘頻率為1.024MHz，相位累加器的字長N為10，頻率字（FSW）的值d為1。在時鐘脈沖的作用下，相位累加器累加1024個時鐘周期后溢出，即經過1024個系統(tǒng)始終周期，輸出波形循環(huán)一周，系統(tǒng)的輸出頻率f

20、0 =1.024 x 106 /1024 =1KHz。若將d的值改為2，則相位累加器在512個時鐘周期后溢出，系統(tǒng)的輸出頻率就變成 f0 =1.024 x 106 /512 =2KHz。當d=1時，輸出頻率最?。悍Q為DDS系統(tǒng)的頻率分辨率（或者稱為頻率間隔）。由上式輸出頻率與頻率分辨率的表達式，可知：1. 系統(tǒng)的輸出頻率只與頻率字的值d，系統(tǒng)時間頻率f0 ，相位累加器的字長N有關。在時間頻率和相位累加器字長不變時，可以通過改變頻率字的值來改變輸出頻率。2. 系統(tǒng)的頻率分辨率只與系統(tǒng)的時鐘頻率和相位累加器的字長有關。可以通過增加改變其一值改變頻率分辨率。3. 可以通過給相位累加器加初始值的方法來

21、預設系統(tǒng)輸出波形的相位。2.2 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器 DDS系統(tǒng)具有優(yōu)良的頻率轉換特性，且對于輸出波形的調制完全是在數(shù)字域中完成，簡潔方便，所以經常用于任意波形的發(fā)生。2.2.1 波形產生的方法 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器產生波形的方法一般有兩種，一種是利用調制波來實現(xiàn)復雜波形的產生，另一種是通過改變波形存儲器的存儲數(shù)據(jù)來生成周期性的波形。方法一：我們知道任何一個波形，都可以用三個廣義參數(shù)來定義：幅度變化A(t); 相位變化 (t); 頻率變化(t)。我們只需要改變這一些參數(shù)，就可以實現(xiàn)波形的調制，從而得到想要的波形。 圖2-2 DDS系統(tǒng)的調制從圖2-2中可以看出，頻

22、率的調制可以通過對頻率字的調制來實現(xiàn)，相位的調制可以通過對相位累加器輸出的調制來實現(xiàn)，賦值的調試可以通過對波形存儲器輸出的調制來實現(xiàn)。通過對頻率，相位，幅度的調制，我們可以得到想要的調制波形，這是極為方便的。方法二： 圖2-3 DDS系統(tǒng)任意波形的產生如圖2-3所示，第二種方法便是利用上位機（人可以直接發(fā)出操控指令的計算機）生成所需要波形的數(shù)據(jù)，然后通過單片機將生成數(shù)據(jù)寫入波形存儲器中（RAM）中，再由DDS系統(tǒng)將波形合成出來，這樣便能夠產生所需要的波形。2.2.2 基于DDS技術的任意波形發(fā)生器的優(yōu)缺點優(yōu)點：具有非常高的頻率分辨率； 快速輸出能力； 波形質量好。缺點：基于DDS技術啊AWG最

23、主要的缺點就是在高頻狀態(tài)下的波形抖動和數(shù)據(jù)丟失問題。缺點原因分析：該AWG在產生波形的時候是逐點跳躍的，這樣的話在較高頻率下，AWG會掠過波形上的某些點，這會引起波形的抖動甚至數(shù)據(jù)的丟失。所以基于DDS技術的任意波形發(fā)生器一般不適合用于產生超高頻的任意波形。2.3 任意波形發(fā)生器的主要性能指標。最高取樣速率：決定了輸出波形的最大頻率。由奈奎斯定理（每個周期至少采樣兩次才能重構波形）可知，輸出波形的頻率小于最高取樣速率的二分之一。因此，最高取樣速率越高，輸出 波形的最高頻率就越大?，F(xiàn)在的AWG產品 一般在 1MS/sec-1.024GS/sec 之間。垂直分辨率 ：也稱輸出幅度分辨率，主要取決于

24、D/A轉換器，以位數(shù)表示。位數(shù)越大，輸出波形幅度量化誤差越小，輸出波形越逼真。現(xiàn)在WAG的垂直分辨率一般為8-16bit。波形存儲容量：以存儲波形的容量來表示。越大存儲的波形可以越復雜或者同時存儲不同的波形。3. 頻譜分析儀原理及使用方法3.1 頻譜分析儀基礎對于一個電信號，通常有兩種分析表示的方法，即時域方法和頻域方法。時域是表示電信號隨時間的變化情況，可用示波器進行測量。在時域內，以時間為水平軸，垂直軸為幅度軸，用示波器測量實際信號的瞬時值隨時間的變化，觀察信號波形，稱為時域分析。頻域表示電信號隨頻率的變化情況，可用頻譜分析儀測量。在頻域內，水平軸表示頻率，垂直軸表示幅度，用頻譜分析儀測量

25、信號響應隨頻率的變化波形，稱為頻域分析。信號的時域分析和頻域分析都可以用來反映信號的特性，但是分析的角度不同，各有適用的場所。時域分析研究信號的瞬時幅度與時間的關系，常用于階躍響應與脈沖響應測量；頻域分析研究信號的各頻率分量的幅度與頻率的關系，常用于測量信號的幅頻特性、頻率響應、頻譜純度和諧波失真等。時域和頻域兩種分析方法都能表示同一信號特性，它們之間是可以相互轉換的，用傅里葉級數(shù)和傅里葉變換來表示。在傅里葉理論中，任何時域的電信號均是由一個或多個不同頻率的幅度和相位的正弦波組成的。換言之，時域信號可以轉換成頻域信號，頻域信號也可以通過傅里葉逆變換換成時域信號。傅里葉變換：Y(f)= 時域信號

26、變換成頻域信號傅里葉逆變換：y(t)= 頻域信號變換成時域信號 式中：Y(f) 信號的頻域 y(t) 信號的時域 f 頻率 3.2頻譜儀基本概念頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等3.3頻譜儀原理的實現(xiàn) 輸入衰減器： 頻譜分析儀的保護電路，保證混頻器有一個合適的信號輸入電平，以防止混頻器過載、增益壓縮和失真。低通濾波器： 在低頻可以·有效抑制鏡像響應，阻

27、止高頻信號達到混頻器，還阻止同本振混頻產生的帶外信號，以避免在中頻產生不需要的響應。在微波頻段，頻譜分析儀采用預選器代替低通濾波器，預選器實質上就是一個調諧濾波器，調諧濾波器和本振在系統(tǒng)控制下同步調諧預選信號，對帶外和鏡像響應進行有效的抑制?；祛l器： 把RF輸入信號的頻率混頻成頻譜分析儀能夠濾波、放大和檢波的頻率范圍?；祛l器除了接收RF輸入信號外，還接收頻譜分析儀內部產生的本振信號?；祛l器是一個非線性器材，這意味著混頻器的輸出不僅包括輸入信號頻率和本振信號頻率，還包含輸入信號頻率和本振信號的和頻與差頻。本地振蕩器： 簡稱本振。本振是一個電壓控制的振蕩器，它的頻率由掃描產生器控制中頻濾波器： 中

28、頻濾波器是一個固定的帶通濾波器，它可以使輸入信號在頻譜分析儀的顯示器上顯示，但前提是混頻器的輸出頻率必須在中頻濾波器的頻段內檢波器： 把中頻信號轉換成視頻信號。檢波器是一個整流器，其目的是處理輸入信號，以便顯示并測量輸入信號。最簡單檢波器由一個二極管、電阻負載和低通濾波器組成。掃描產生器： 控制本振頻率，控制頻譜分析儀顯示器的水平軸偏移，其斜波形狀使頻譜分析儀在顯示器上從左到右顯示信號信息，且重復運動更新掃描跡線。顯示器： 顯示輸入信號頻譜并測量輸入信號的幅度與頻率。帶通濾波器： 一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備對數(shù)放大器： 指輸出信號幅度與輸入信號幅度呈對數(shù)函數(shù)關系的放大電路。

29、實際的對數(shù)放大器總是兼具線性和對數(shù)放大功能。中頻放大器： 功率放大器的一種，同時具有選頻的功能，即對特定頻段的功率增益高于其他頻段的增益。3.4頻譜儀基本測量觀察或測量幅度調制信號的方法有：時域法和頻域法。時域法：用示波器觀察和測量時域信號。如圖 Emax：調制信號包絡的最大電壓值 Emin：調制信號包絡的最小電壓值 m：幅度調制信號的調制指數(shù)頻域法：用頻譜分析儀觀察和測量幅度調制信號。如圖 dB：相對載波的邊帶幅度 fm：調制頻率fpeak：載波峰值頻偏 fpeak=m*fm測量調頻信號的方法有：頻域法、Bessel函數(shù)法、Haberly法頻域法：如圖Bessel函數(shù)法：如圖Haberly法

30、：如圖測量脈沖調制信號的方法有：窄帶測量、寬帶測量RBW：分辨寬度PRF：輸入脈沖信號的重復頻率：脈沖寬度T：脈沖周期Pp：峰值脈沖功率Pc：載波分量功率Pp=Pc-20*log（/T）3.5頻譜分析儀誤差分析頻率準確度(1) 頻率參考的穩(wěn)定度和準確度(2) 本振的線性度(3) 掃描時間準確度(4) 中頻帶寬濾波器的中心(5) 剩余調頻(6) 顯示分辨率幅度準確度(1) 標度準確度(2) 輸入衰減器準確度(3) 參考電平準確度(4) 頻響平坦度(5) 分辨帶寬切換誤差(6) 預選器（YTF）跟蹤(7) 各種失真3.6頻譜儀基本使用如圖：附：頻譜分析儀硬軟鍵功能FREQUENCY頻率鍵：設置頻譜

31、分析儀的中心頻率或是起始頻率和停止頻率，中心頻率步長與中心頻率補償。AMPLITUDE幅度鍵：激活幅度軟件菜單，用來設置頻譜分析儀的參考電平、射頻輸入衰減、顯示器對數(shù)刻度和線性工作模式等。SPAN掃頻寬度鍵：設置頻譜分析儀的掃頻寬度和零視頻寬度等。MKR功能鍵：激活碼刻及其相應的軟鍵菜單，完成信號的絕對測量與相對測量。FREQ COUNT功能鍵：激活頻率計算器并在頻譜分析儀的CRT上顯示結果PEAK SEARCH功能鍵：置碼刻至信號的峰值點并顯示相應的軟件菜單SWEEP硬鍵：設置頻譜分析儀的掃描時間、連續(xù)掃描或單掃描等BW硬鍵：設置頻譜分析儀的分辨帶寬和視頻帶寬TRIG硬鍵：進入頻譜分析儀觸發(fā)

32、功能的軟鍵菜單AUTO COUPLE硬鍵：使頻譜分析儀進入自動連鎖模式菜單TRACE硬鍵：跡線清除、跡線掃描、跡線最大保持以及跡線運算DISPLAY硬鍵：進入顯示功能的軟鍵菜單PRESET硬鍵：重新啟動頻譜分析儀CONFIG硬鍵：進入頻譜分析儀的儀器配置功能菜單CAL硬鍵：校準鍵AUX CTRL硬鍵：進入跟蹤信號產生器、內外混頻器、解調器和后面板功能的軟鍵菜單COPY硬鍵：轉換頻譜分析儀CRT顯示數(shù)據(jù)到GPIB接口連接的打印機或繪圖儀MODULE硬鍵：進入其軟鍵菜單SAVE硬鍵：儲存測量儀器狀態(tài)和測量跡線RECALL硬鍵：調用儲存在寄存器里的儀器狀態(tài)和跡線MEAS/USER硬鍵：測量用戶鍵4.

33、邏輯分析儀的原理4.1數(shù)據(jù)域分析的概念圖1.數(shù)據(jù)與分析實例l 研究以離散時間或事件為自變量，狀態(tài)值為因變量的數(shù)據(jù)流。l 在數(shù)據(jù)域分析中，往往關心的是各信號相對于閾值是高電平還是低電平及各信號之間的配合在整體上表示的意義，而不關心每條信號線上電壓的確切數(shù)值。l 在數(shù)據(jù)域分析中討論的不再是電壓，也往往不是一個信號的電平，而是涉及設備結構的數(shù)據(jù)格式的狀態(tài)空間(多個邏輯值的組合)。4.2邏輯分析儀的特點l 有足夠多的輸入通道l 具有多種靈活的觸發(fā)方式，確保對被觀察的數(shù)據(jù)流準確定位（對軟件而言可以跟蹤系統(tǒng)運行中的任意程序段，對硬件而言可以檢測并顯示系統(tǒng)中存在的毛刺干擾）。l 具有記憶功能，可以觀測單次及

34、非周期性數(shù)據(jù)信息，并可診斷隨機性故障。l 具有延遲能力，用以分析故障產生的原因。l 具有限定功能，實現(xiàn)對欲獲取的數(shù)據(jù)進行挑選，并刪除無關數(shù)據(jù)。l 具有多種顯示方式，可用字符、助記符、匯編語言顯示程序，用二進制、八進制、十進制、十六進制等顯示數(shù)據(jù)，用定時圖顯示信息之間的時序關系。l 具有驅動時域儀器的能力，以便復顯待測信號的真實波形及有利于故障定位l 具有可靠的毛刺檢測能力。4.3邏輯分析儀的分類l 按工作特點分類:邏輯狀態(tài)分析儀(同步采樣)定時邏輯分析儀（異步采樣）l 按結構特點分類:臺式邏輯分析儀便攜式邏輯分析儀外接式邏輯分析儀卡式邏輯分析儀4.4邏輯分析儀的組成邏輯分析儀的組成結構如圖2所

35、示，它主要包括數(shù)據(jù)捕獲和數(shù)據(jù)顯示兩大部分。圖2 邏輯分析儀結構由于數(shù)字系統(tǒng)的測試一般要觀察較長時間范圍的信號間邏輯關系或較長的數(shù)據(jù)流才能進行分析，邏輯分析儀一般采用先進行數(shù)據(jù)捕獲即采集并存儲數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)顯示并觀察分析的方式。因此邏輯分析儀內部結構可劃分為兩大部分：數(shù)據(jù)捕獲及數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)捕獲部分包括信號輸入、采樣、數(shù)據(jù)存儲、觸發(fā)產生和時鐘電路等。外部被測信號送到信號輸入電路，與門限電平進行比較，通過比較器整形為符合邏輯分析儀內部邏輯電平的信號（如TTL電平信號）。采樣電路在采樣時鐘控制下對信號進行采樣，采樣獲得的數(shù)據(jù)流送到觸發(fā)產生電路進行觸發(fā)識別，根據(jù)數(shù)據(jù)捕獲方式，在數(shù)據(jù)流中搜索特定的數(shù)

36、據(jù)字（觸發(fā)字），當搜索到符合條件的觸發(fā)字時，就產生觸發(fā)信號。數(shù)據(jù)存儲電路在觸發(fā)信號的作用下進行相應的數(shù)據(jù)存儲控制，而時鐘電路可以選擇外時鐘或內時鐘作為系統(tǒng)的工作時鐘。數(shù)據(jù)捕獲完成后，由顯示控制電路將存儲的數(shù)據(jù)以適當方式（波形或字符列表等）顯示出來，以便對捕獲的數(shù)據(jù)進行觀察分析。4.5觸發(fā)方式觸發(fā)：由一個事件來控制數(shù)據(jù)獲取，即選擇觀察窗口的位置。組合觸發(fā)：當輸入數(shù)據(jù)設定觸發(fā)字一致時，產生觸發(fā)脈沖。每一個輸入通道都有一個觸發(fā)字選擇設置開關，每個開關有三種觸發(fā)條件：1、0、x，“1”表示高電平，“0”表示低電平，“x”表示任意值。例如某邏輯分析儀有八個通道，如果觸發(fā)字設為011001x0，則在八個輸

37、入數(shù)據(jù)通道中出現(xiàn)下面兩種組合中的一種時都會產生觸發(fā)：01100100或01100110。組合觸發(fā)是邏輯分析儀最基本的觸發(fā)方式。跟蹤：采集并顯示數(shù)據(jù)的一次過程稱為一次跟蹤。1.基本的觸發(fā)跟蹤方式：u 始端觸發(fā)（觸發(fā)起始跟蹤） u 終端觸發(fā)（觸發(fā)終止跟蹤）2.延遲觸發(fā)：延遲觸發(fā)是在數(shù)據(jù)流中搜索到觸發(fā)字時，并不立即跟蹤，而是延遲一定數(shù)量的數(shù)據(jù)后才開始或停止存儲數(shù)據(jù)，它可以改變觸發(fā)字與數(shù)據(jù)窗口的相對位置。延遲觸發(fā)時的跟蹤如圖3所示，設置不同的延遲數(shù)，就可以將窗口靈活定位在數(shù)據(jù)流中不同的位置。3.序列觸發(fā)：序列觸發(fā)的觸發(fā)條件是多個觸發(fā)字的序列，它是當數(shù)據(jù)流中按順序出現(xiàn)各個觸發(fā)字時才觸發(fā)，即順序在前的觸發(fā)

38、字必須出現(xiàn)后，后面的觸發(fā)字才有效。序列觸發(fā)常用于復雜分支程序的跟蹤，圖4中所示是一個兩級序列觸發(fā)的工作原理。4.手動觸發(fā)：手動觸發(fā)是一種人工強制觸發(fā)。該方式下，只要設置分析開始，即進行觸發(fā)并顯示數(shù)據(jù)。它是一種無條件的觸發(fā)，由于該方式下觀察窗口在數(shù)據(jù)流中的位置是隨機的，亦稱隨機觸發(fā)。5.限定觸發(fā)：限定觸發(fā)是對設置的觸發(fā)字再加限定條件的觸發(fā)方式。4.6采樣方式邏輯分析儀有兩種采樣方式，分別是定時采樣和狀態(tài)采樣。 大多數(shù)邏輯分析儀都包含兩種分析功能，定時分析和狀態(tài)分析。 兩種采樣方式分別對應著兩種分析功能，定時采樣用于定時分析、狀態(tài)采樣用于狀態(tài)分析。l 定時采樣定時分析儀使用自己的內部時鐘控制數(shù)據(jù)采

39、樣。這種類型的時鐘計時會使邏輯分析儀中的數(shù)據(jù)采樣與被測設備中的時鐘異步。具體來講：l 定時分析儀適用于顯示信號活動“相當于其他信號”“何時”發(fā)生。l 定時分析儀側重于查看各個信號之間的時序關系，而不是與被測設備中控制執(zhí)行的信號之間的時序關系。l 這就是為什么定時分析儀可以對與被測設備時鐘信號“不同步”或異步的數(shù)據(jù)進行采樣。在定時采集模式下，邏輯分析儀的工作是對輸入波形進行采樣，從而確定它們是高電平還是低電平。為了確定高低，邏輯分析儀會將輸入信號的電壓電平與用戶定義的電壓閾值進行比較。如果采樣時信號高于閾值，則分析儀將信號顯示為 1 或高。同樣，低于閾值的信號將顯示為 0 或低。下圖闡釋了當正弦

40、波跨過閾值電平時邏輯分析儀對其進行采樣的情況。圖5 定時分析采集原理l 狀態(tài)采樣狀態(tài)分析儀需要來自被測設備的采樣時鐘信號。這種類型的時鐘計時可使邏輯分析儀中的數(shù)據(jù)采樣與被測設備中的計時事件同步。具體來講：l 狀態(tài)分析儀適用于顯示“有效時鐘或控制信號”期間的信號活動是“什么”。l 狀態(tài)分析儀側重于查看指定執(zhí)行時間內的信號活動，而不是與時序無關的信號活動。l 這就是為什么狀態(tài)分析儀需要對與被測設備時鐘信號“同步化”或同步的數(shù)據(jù)進行采樣。對于微處理器，數(shù)據(jù)和地址可以出現(xiàn)在相同的信號線上。要采集正確的數(shù)據(jù)，邏輯分析儀必須對數(shù)據(jù)采樣加以限制，使之只在所需的數(shù)據(jù)有效并出現(xiàn)在信號線上時進行。為此，它會從相同

41、的信號線上采集數(shù)據(jù)樣本，但使用來自被測設備的不同采樣時鐘。圖7 狀態(tài)采集原理圖8 異步采樣與同步采樣的區(qū)別4.7 顯示方式l 列表顯示u 數(shù)據(jù)顯示(同步或異步都可)u 程序代碼顯示(同步分析)l 波形顯示u 主要用于定時分析(內時鐘)u 也能用于同步分析(外時鐘)l 高級原代碼顯示u 軟件調試，軟硬件聯(lián)調 l 直方圖顯示u 軟件調試和優(yōu)化l 直方圖顯示各程序模塊執(zhí)行時間的分布情況,調用概率統(tǒng)計分析時間直方圖:測量子程序運行占用CPU的時間(找到最大值)地址直方圖:調用子程序次數(shù)和概率分布l 應用:性能分析與改進性能軟件性能分析(例如程序運行速度分析)硬件性能分析(例如I/O傳輸速度分析)l 圖

42、形顯示u XY模式5. 使用邏輯分析儀調試時序問題5.1概述在今天的數(shù)字世界，嵌入式系統(tǒng)比以往任何時候都更為復雜。使用速度更快、功耗更低的設備和功能更強大的電路，工程師需要考慮信號完整性問題。在調試和驗證過程中，大部分數(shù)字電路失效可以追溯到信號完整性問題。這里將通過一個經典案例討論如何使用邏輯分析儀的特性和功能來解決這些和時序相關的問題，以快速、方便地找到設計問題的根源。 如果設備出現(xiàn)故障，要進行系統(tǒng)調試，一種方法是先查找毛刺。毛刺是非常窄的脈沖，毛刺在系統(tǒng)中可能導致、也可能不導致邏輯出錯。毛刺對系統(tǒng)運行的影響是無法預測的。毛刺可以是多種設備故障(包括競爭情況、端接錯誤、驅動器錯誤、時序違規(guī)和

43、串擾)的最初跡象。5.2調試儀器及其簡介本次調試中使用的邏輯分析儀為Tektronix TLA系列邏輯分析儀。TLA系列邏輯分析儀提供對數(shù)字系統(tǒng)功能進行診斷、驗證和優(yōu)化所需的性能。TLA系列還提供完整的信號完整性診斷工具套件，可快速隔離、識別和檢定難檢問題，是應對當今數(shù)字設計所有診斷挑戰(zhàn)的理想工具。 TLA系列邏輯分析儀具有的MagniVu 采集模式在所有通道上有更高的采樣分辨率，因此在時基或狀態(tài)采集模式中可完全避免錯過事件。除此之外，其iView 顯示功能能在一臺顯示器上顯示時間相關的集成模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)，讓用戶獲得完整的系統(tǒng)信息。5.3調試步驟5.31尋找探測點。探測點的考慮在你的設計電路中

44、布置合適的探測點對于后期的調試工作具有至關重要的作用。有了合適的探測點，你可以把不同位置的信號時序問題關聯(lián)起來，查看總線的運行情況，并分析硬件和軟件接口。因此尋找問題根源的第一步就是尋找信號的探測點。5.32挑選探頭。探頭的特性對于測量非常重要，總電容負載偏高的探頭可以改變系統(tǒng)性能并帶來（或隱藏）時序問題。尤其在高速系統(tǒng)，偏高的探頭電容負載可能導致被測系統(tǒng)(SUT)無法正常運行。因此，盡可能選擇較小的總電容負載探頭。5.33邏輯分析儀的性能考慮。邏輯分析儀的性能對于系統(tǒng)調試，尋找問題源起了重要作用。而要正確選擇邏輯分析儀來滿足測試需求，首先需要了解邏輯分析儀的基本功能。邏輯分析儀的最基本的功能

45、是利用采集的數(shù)據(jù)繪出時序分析圖。如果被測系統(tǒng)工作正常，并且邏輯分析儀的采集設置正確，邏輯分析儀的時序顯示應該與設計仿真或規(guī)格書上的數(shù)據(jù)完全相同，但在實際情況下，這還與邏輯分析儀的分辨率(即采樣率)密切相關。邏輯分析儀的采樣時鐘與輸入信號是異步的，采樣率越高，就越可能準確檢測到信號的異常事件(如毛刺)。為了分析更快的信號，邏輯分析儀通常提供更高的分辨率采集模式，在觸發(fā)點周圍采集更多的數(shù)據(jù)。本次案例中使用的是Tektronix TLA系列邏輯分析儀。5.34檢查總線。先重點觀察系統(tǒng)運行情況，并從整體上尋找故障。邏輯分析儀的總線時序分析將標記出現(xiàn)的所有毛刺。需要尋找間歇性事件(如毛刺)時，最好使用具

46、有較長記錄長度的邏輯分析儀。邏輯分析儀在任何一個信號線中監(jiān)測到毛刺，則會標記總線和時間位置。在圖1中，頂部的波形顯示了代表邏輯分析儀的深存儲定時取樣速率的取樣點序列。下面兩個信號是總線波形4位控制總線和8位地址總線。出現(xiàn)在這兩個總線波形中的紅色毛刺標記說明在這些位置上的取樣點之間有多次跳變。圖1 取樣點序列，控制總線和地址總線顯示紅色毛刺標記5.35檢查信號線?，F(xiàn)在來查找問題的來源。使用邏輯分析儀的時序信號波形顯示總線的各個信號線，并標記毛刺發(fā)生的位置。在圖2中，邏輯分析儀已將控制總線擴展為四個單獨的信號，并將地址總線擴展為八個單獨的信號。圖3中總線波形上的紅色毛刺標記，現(xiàn)在顯示為信號線Con

47、trol(3)和Control(0)上的毛刺標記，以及信號線Address(0)上的兩處毛刺。圖2 擴展的4位控制總線和8位地址總線。在單個信號上顯示紅色毛刺標記5.36了解故障細節(jié)。接下來使用高分辨率時序圖詳細檢查故障。了解事件點與其他事件點之間的關系。泰克TLA系列邏輯分析儀的MagniVu功能能在最大16Kb的存儲深度下為每個通道提供高達50GHz的數(shù)字采樣率,并可與普通采樣率深記錄長度的時序分析功能同時運行。這樣，一個邏輯分析儀無須更換探頭，同時實現(xiàn)了深度時序邏輯分析儀和高分辨率時序邏輯分析儀兩個功能。在本例中，似乎有兩個不同的問題導致了毛刺的發(fā)生。首先，重點觀察Control(3)信號線，并打開Control(3)信號的MagniVu波形