如何用Pico示波器進行故障診斷

------上海子爾

當今，工程師面臨著越來越嚴苛和復雜的測試任務。有時候設備在實驗中能夠正常工作，但是在實際現場應用時，就會出現這樣那樣的問題，從而導致設備無法正常運行。一旦出現問題，一方面會引起客戶的不滿，一方面可能會造成生產損失，昂貴的維修費用，甚至帶來安全隱患。每當這個時候，客戶總是希望現場應用工程師能夠快速準確的進行故障定位并維修以便于他們恢復生產，這就給故障診斷工程師帶來了巨大的挑戰。

現場診斷時，工程師往往需要隨身攜帶一套小巧輕便、但功能強大的分析工具，捕捉波形異常，例如 定時錯誤、串擾、瞬態、電源質量測試問題等，從而來進行設備功能測試、故障定位、錯誤追蹤等。

　　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。同時其功能和性能也非常強大，能夠媲美甚至超過許多實驗室儀器，幫助工程師處理現場帶來的挑戰——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判斷問題所在。

一、實驗室設計驗證

產品設計不是一項簡單的工作，工程師們一般需要掌握所有的實驗室工具以保證設計的圓滿完成。這些基本工具包括自動設計和仿真工具、一系列硬件驗證工具，例如：一臺示波器、一臺信號發生器、邏輯分析儀、DVM、精密激勵電源等等。除此以外，一旦遇到問題，也可以進行團隊間的協作，例如，一個FPGA工程師遇到一個存儲器接口問題，他可以跟硬件研發經理聯系，請求其團隊的工程師一起檢查和解決問題。

二、現場故障診斷

設備在現場應用時一旦出現故障，那跟實驗室的情況完全不一樣。首先，客戶會對產品有意見，覺得產品質量不好，同時會要求廠家幫助解決問題。如果產品用于生產過程，那么由于產品設計缺陷引起的經濟損失是非常巨大的，所以時間是及其重要的。更糟糕的是，如果產品用于安全性至關重要的領域或者醫療行業，產品故障可能致使生命陷入危險之中。因此工程師們找到和解決設計缺陷的壓力是非常大的。

　　一旦出現故障，倒霉的設計工程師就需要被派遣到應用現場，在完全陌生的環境下，幫助客戶解決那個在開發過程中從不曾出現過的設計缺陷，沒有直接的團隊幫助。而且，運輸急需的實驗室設備到現場有時候是不切實際的，一方面來設備體積大不便于運輸，一方面可能內部設計團隊正在使用這些設備。

此時，一臺小型、輕便、功能上類似于或超越實驗室硬件驗證工具的設備是非常有必要的。 它還要求能夠共享現場測試數據和結果，讓設計團隊的其他成員了解到現場發現的故障，以便于共同找到問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臺式示波器的儀器。體積小巧，可以直接放在筆記本電腦包中，同時其功能一點也不低于普通的臺式示波器。 Pico示波器提供2個和4個通道，500MHz帶寬，一個內置信號源和16個數字通道。高級觸發、串行解碼、波罩測試、波形數學運算等高級功能也包含其中。高達2G的存儲深度使PicoScope用戶能夠實時對復雜系統進行深入分析，同時其他的工程師也可以用他們電腦上免費的Picoscope 軟件進行離線或者遠程分析。

本文我們將舉例說明如何用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行故障診斷的。

四、基本信號完整性測量

正在尋找設計缺陷的工程師的第一個任務是基本信號完整性測試和定時檢查。時鐘分布是否正常？邏輯邊沿是否符合設計規范？是否有噪音或串擾會對電路造成影響？運行一段時間之后，設備性能是否穩定？或當外部環境，如溫度、電源電壓和電磁干擾的存在是否影響設計的穩定性？

　　圖1 用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個簡單的I2C時鐘和數據波形的截圖。四個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捕獲的波形，藍色的是SDA，紅色的是時鐘信號。左下角顯示的對觸發信號的放大，此時脈沖寬度>200us。右上角是放大顯示第六個捕獲序列的時鐘波形，右下角顯示的了第二個數據包的時鐘和時間關系。

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圖1用PicoScope 2200A 示波器捕捉一個簡單的I2C時鐘和數據波形

五、查找毛刺

確保設備能夠正常工作之后，下一步可能會尋找故障或其他波形錯誤，這些可能是由間隙性電路故障引起的。圖2顯示如何設置一個通用的數字錯誤條件觸發，例如，脈沖寬度、失真、邏輯狀態等。

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圖2 如何設置一個數字錯誤觸發條件

另一個查找間隙性錯誤的方法是捕捉一個正常的波形，用自定義的容差創建一個波罩，然后進行長時間的波形測試。當測試的波形落在波罩范圍之外時，PicoScope 觸發一個警報來保存失敗的波形，觸發蜂鳴器或執行用戶自定義的動作。這是一個在無人值守時測試入侵的理想設備。

圖4 I2C串行解碼

該例子顯示了小緩存示波器對幾個數據包的解碼結果。像PicoScope 5000系列深度緩存示波器緩存高達256M，能夠一次性解碼成千上百個數據包，用于追蹤程序的詳細運行情況。任何錯誤都能夠立即被定位到相應的波形上，從而進行分析和調整。

七、功率分析

如果設備是電源供電或者位于電源供電設備附近，測試失敗很可能是由于電源的質量問題或者電磁干擾所致。非線性負載和現代功率轉換設備會產生復雜的電壓和電流波形，這些波形中包含有顯著的諧波分量。諧波分量的測試和分析對于解決電源的質量問題是至關重要的。對于設備生產商來說，電源質量，像電壓驟降、驟升、峰值、抖動、中斷、長時間運行時電壓和頻率的變化參數的評估，也是至關重要的，因為這是保證在各種供電條件設備能夠正常運行的前提。圖5 顯示了筆記本電腦的電源電壓(藍色波形)和電流(綠色波形)，該電源是非線性的，故有一個很明顯的諧波分量，如頻域波形所示。黑色的波形是功率波形，是數學通道中由通道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，這種電源對輸送電路沒有太苛刻的要求。但是在一些傳輸大電流的工業設備中，電源輸送系統會對連接其上或靠近該電源的設備造成一定的影響。

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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

評估系統中輸入信號或者傳感器采集到的信號的質量是非常有必要的，這是設計驗證過程的一部分。但是，實際測試時，有時候您可能等待很長一段時間之后，傳感器才輸出一個“壞”信號，客戶往往不會給我們那么多的時間去現場驗證。此時，我們就可以用信號發生器仿真一個波形，調整波形的頻率、幅值、上升下降時間、占空比等參數，測試設備對這些信號的響應。

當然，許多輸入信號并不是標準的正弦波、方波和脈沖。對于復雜波形，PicoScope 有內置的任意信號發生器，可以將實際中會出現的異常波形，例如，抖動、噪音、相位和頻率的改變等重新發送出來，模擬一個最糟糕的操作環境，從而檢查設備是否能夠對所有的信號進行正確的響應。

首先，用一個示波器通道將任意信號發生器產生的波形采集下來，然后導入AWG緩存中，設置帶產生信號的振幅、頻率等參數，然后輸出該信號。圖6 顯示了一個PicoScope 6 捕捉的串行數據流，添加少許毛刺到波形中，然后從AWG中輸出——完成整個過程只需要幾秒的時間。

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圖6 任意信號發生器

九、總結

一個工程師設計一個完整產品的情況并不多見，一般情況下一項產品是由一個工程師團隊合作研發的，其中有人負責FPGA代碼和固件的設計，有人負責驅動，產品包裝等。一旦問題出現，團隊的所有工程師都能夠查看測試數據，修復各自負責模塊的bug. 工程師可以發送屏幕截圖或者CSV數據文件共享測試數據，當然，這是最基礎的。PicoScope軟件沒有license限制，可以運行在任何一臺電腦上，所以工程師可以將現場采集的原始數據發送回設計團隊，他們可以用PicoScope來軟件進行詳細的數據分析，定位設計缺陷、建議額外的測試或者添加到新的AWG文件庫中。所以團隊間協作有助于快速判斷問題根源，從而找到解決問題的辦法。