如何使用PicoScope示波器调试异常信号

1使用PicoScope示波器调试异常信号的三种典型方法和工具

图1使用PicoScope示波器调试异常信号的三种典型方法和工具

高效的隔离和调试分析信号异常事件是工程师在产品研发过程中面临的常见挑战。PicoScope 7软件通过三个强大且互补的工具帮助工程师应对这一挑战：模拟余晖模式用于观察异常，智能触发用于精确捕获异常，以及模板容限测试用于捕获异常和数据统计分析。

模拟余晖模式提供了一个直观的起点，它通过叠加成千上万个波形捕获，创建了一个基于颜色等级的波形图像，该图像可突出显示信号中瞬态异常事件相对于正常信号的差异。我们可以使用PicoScope 7的标尺功能在图像上测量所观察到的毛刺、嵌幅脉冲或其它任何异常事件，并获取诸如幅度和时间等关键参数，以便用于后续的触发参数设置。然而，模拟余晖模式存在两个局限性。首先，它提供的是复合图像，而非数字波形，因此无法使用示波器的测量和分析套件对其进行深入分析；其次，能捕获多高频率出现的异常依赖于仪器的更新速率。虽然PicoScope示波器的更新速率高达每秒30万个波形，但某个快速发生的事件仍然可能在两次采集之间出现从而未能被捕获。

为了最大化的确保异常事件被成功捕获，我们需要使用PicoScope示波器的触发功能。触发模式下示波器会主动等待用户定义的事件——例如过窄的脉冲、电压跌落到窗口之外或特定的逻辑模式——然后捕获其前后的实时波形数据。由于触发是基于硬件实现的，因此它可以捕获短至几纳秒的事件。需要强调的是，每次触发捕获到的信号都是标准的数字波形，从而可以利用示波器中的强大功能对波形进行全面的测量、数学分析和保存。触发也有一个局限性，即在每个触发设置下，一次只能捕获和隔离一种类型的异常事件。

为了同时捕获多种不同的异常事件，PicoScope示波器提供了模板容限测试功能。该功能下，示波器会将每个实时波形与预定义的“模板”（包含可接受的电压和时间限值）进行比较。我们可以便捷地基于已知良好的参考信号生成一个模板。任何违反模板的波形都会被捕获并保存到示波器的缓冲区中。PicoScope示波器会执行连续的通过/失败测试，记录失败次数和进行数据统计，使其成为长期压力测试或可靠性验证的理想选择。模板可以保存到库中并与同事共享，从而确保测试标准的一致性。

在接下来的章节中，我们将实际展示如何使用这三种方法，通过最新的、全球首款5GS/s基于USB的PicoScope 3418E示波器有效地捕获和分析异常情况。

2使用PicoScope示波器捕获信号异常事件

2.1使用PicoScope示波器内置的AWG生成异常信号

PicoScope 3000E系列标配有一个内置的集成信号源，可为测试提供便捷的激励信号。所有型号均配备功能强大的函数发生器(FG)，频率范围从100µHz到20MHz，能够输出正弦波、方波、三角波、直流电压、上升斜坡、下降斜坡、sinc函数、高斯函数和半正弦波等标准波形。此外，每台设备还配备一个14位、200MS/s的任意波形发生器(AWG)。AWG的波形可以直接在PicoScope软件中创建或编辑，也可以从示波器波形导入，或从电子表格文件加载。

如图2所示，此设置利用了PicoScope示波器内置信号源。PicoScope 3000E的FG/AWG输出通过BNC电缆直接连接到其自身的A通道输入。然后，通过标准USB接口连接到笔记本电脑，并在笔记本电脑上运行PicoScope 7软件来控制仪器。这样就快速的创建了一个完整的、独立的测试循环，非常适合演示如何捕获异常事件。

图2使用PicoScope 3418E内置任意波形发生器(AWG)生成异常信号的连接设置

为了生成包含异常的自定义测试信号，我们在PicoScope 7中配置任意波形发生器(AWG)，设置参数包括频率、幅度、偏移等。如图3所示，我们可以使用AWG编辑器中的高级工具绘制自定义波形，或编辑标准波形以包含特定的异常事件，例如过冲或嵌幅脉冲。

波形设计完成后，单击窗口左上角的“应用”按钮，即可命令仪器从其AWG端口输出信号。该信号现在包含定义好的异常事件，其通过BNC电缆直接输入到PicoScope 3418E示波器的A通道。

图3配置PicoScope 3418E内置AWG以生成带异常事件的信号

屏幕上显示的初始实时信号会不稳定，偶尔会闪过一些异常事件。为了稳定显示，我们采用了最基本的边沿触发方式。这是一个必要的步骤，因为我们当前缺乏关于异常事件的具体特征（例如脉冲宽度或幅度）的足够信息，无法在此阶段配置更高级的触发方式。基本边沿触发的设置如图4所示。

图4使用基本边沿触发来稳定波形显示

2.2使用PicoScope 7软件的模拟余晖模式捕获异常事件

按照图5中的步骤，从PicoScope7工具栏中选择“模拟余晖（Persistence）”。这将显示模式切换到模拟余晖模式，该模式下示波器会叠加显示成千上万个采集到的波形。在此余晖视图中，瞬态异常（例如过冲和嵌幅脉冲）相对于主信号清晰可见。

图5在PicoScope 7软件中使用模拟余晖模式捕获异常事件

如前所述，模拟余晖显示提供的是复合图像，而非波形数据。因此，我们无法将PicoScope 7的分析工具（例如自动测量或数学函数）应用于此图像。但是，我们可以使用屏幕上的标尺（在传统示波器上通常称为光标）直接在图像上执行基本的手动测量。通过这种方式，可以粗略的了解诸如过冲和嵌幅脉冲的幅度和时间等关键参数信息。这些初步的测量数据提供了接下来设置智能触发所需的信息，使我们能够捕获到标准的、完全可分析的波形。

图6在模拟余晖模式下使用标尺进行测量

2.3使用PicoScope 7软件中的智能触发功能捕获异常事件

PicoScope 7内置了丰富的智能触发类型。为了精确捕获在模拟余晖模式下识别出的过冲，我们可以使用简单的边沿触发。根据余辉显示中的幅度测量值，我们将触发点的黄色阈值菱形标记拖到过冲发生的电压电平处。这样，当过冲异常事件越过该电平时，示波器就能精确地捕获到包含过冲异常事件的整个信号，如图7所示。

图7使用PicoScope 7软件中的简单边沿触发捕获异常

类似地，可以配置一个嵌幅脉冲触发模式来捕获之前在模拟余晖模式下识别到的嵌幅脉冲。如图8所示，当脉冲跨越一个阈值但未跨越另一个阈值时，即其幅度保持在设定的高低阈值门限电平范围内时，示波器会进行触发。

图8在PicoScope 7软件中使用嵌幅脉冲（Runt）触发捕获嵌幅脉冲

当包含异常事件的信号被捕获为一个标准的数字波形时，PicoScope 7的任何功能或测量工具均可用于对该波形进行详细分析，如图9所示，这包括使用屏幕标尺进行手动测量，以及通过内置自动测量参数进行自动测量。

图9在PicoScope 7软件中对捕获到的嵌幅脉冲进行标尺和自动参数测量

2.4使用PicoScope 7软件中的模板容限测试功能捕获、定位和分析异常事件

模板容限测试通过连续将实时信号波形与已知良好的参考信号波形进行比较，自动捕获与参考信号波形有一定偏差范围的信号。使用方法如下：首先捕获一个良好的信号作为参考波形；然后，围绕该参考波形自动生成一个合格/不合格模板。激活并启动示波器开始数据采集后，模板容限测试会实时监控每一屏信号，立即捕获并保存任何违反模板设定的波形。这使得在一次设置和运行中即可隔离多种不同的异常事件。

在PicoScope 7软件中可以将待测信号运行良好时的波形作为参考波形自动生成模板。基于图10所示步骤，可创建具有精确容差范围的模板，从而实现高效的长期验证和故障检测。

图10在PicoScope 7软件中基于参考波形自动生成模板

图11展示了测试结果。在一次配置下，过冲和嵌幅脉冲异常均被同时捕获。此外，模板容限测试可提供即时分析反馈。例如，屏幕底部的统计面板显示了示波器在测试期间共计捕获了104个波形，其中5个波形被标记为违反模板设定。

所有捕获的波形都被存储在PicoScope示波器的缓冲区中。我们可以快速筛选此缓冲区，仅隔离和查看违反模板设定的波形。另外，由于模板容限测试捕获的是标准数字波形数据，因此我们可以将PicoScope 7的全套测量和分析工具应用于这些已保存的波形数据，以进行详细分析。

图11使用PicoScope 7软件中的模板容限测试功能捕获、定位和分析所有异常事件

3结论

PicoScope示波器提供了一套高效的捕获、定位和分析信号异常的组合方法，该方法包括图形化观察到精确的自动化捕获。模拟余晖模式是第一步，它提供了大量波形叠加后的图像，其可用于揭示难以捉摸的事件的存在及其基本特征。从模拟余晖图像中获得的测量数据可直接支持智能触发（例如边沿、脉冲宽度或嵌幅脉冲）的设置，从而通过触发从信号中精确定位满足条件的异常事件，并使用PicoScope 7的强大功能对其进行测量和分析。对于复杂的调试和验证任务，模板容限测试可极大的提升效率，通过自动捕获与已知参考信号波形的偏差，它能够实现全面的无人值守监控，从而仅需一次设置和运行即可捕获多种类型的信号异常事件。

通过使用PicoScope示波器提供的这套组合方法，我们可以轻松观察异常事件，可靠地捕获和定位异常事件并对其进行深入测量和分析，从而显著提升电子设计中的信号完整性问题调试效率。

关于Pico Technology

Pico Technology是高性能电子测试仪器的全球领先制造商。源于英国剑桥强大电子工程传统，自创立以来，通过创建和领导创新的基于PC的测试仪器，比克实现了连续34年的增长。其独特的解决方案和完整的产品线为电子工程师提供了高性能且经济高效的工具，涵盖了从物理层到协议层的整个设计验证周期：

具有内置AWG，FG，逻辑分析仪，频谱分析仪，串行协议分析仪的实时示波器，提供高达16位ADC分辨率，4G超深存储器，8个高分辨率通道和真正的差分探测。紧凑的33GHz采样示波器使工程师能够轻松实现TDR特征阻抗测试，眼图抖动测试和时钟恢复等。PicoVNA（矢量网络分析仪），RF Synthesizer（射频信号合成器）和PicoConnect高带宽探头可扩展到RF应用。此外，还有最畅销的Pico Logger系列数据记录仪产品。

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