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示波器在实际应用中的案例

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MDO 跳频测试方案,MDO EMI 诊断方案 ,MDO 在 EMI 测试中的应用……

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第一章 MDO 三大优势 汽车电子混合信号的测试方案 MDO4000C - 频谱仪的新选择 应用文章 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 1 应用文章 MDO 跳频测试方案 应用产业:政府 应用行业:跳频电台、模块研发、设计、调测、现场 测试 应用技术:射频、嵌入式 (SPI)、频率瞬态分析、PLL ऀՂ́٨́᛫ভᑟᮊᄬ᜶ර‫ܬ‬ฌ  ᇨฉ٨ ᮠဋᔵ‫ڊ‬ ᢎ஝ ܸ̆ᜂ฾ᮠဋ.)[ ԥᢎ Իϲߛ ᮠဋᔵ‫ڊ‬  ࠱ᮠᮠ៨ ໚ฉ٨ࣜࠕ Ѭౢ́ үগᔵ‫ڊ‬ ᮠဋྲভ  ូ҄۫ ᮠဋᔵ‫ڊ‬ Ѭౢ́ ௑ᫎᫎᬦѬᣲ _.)[ )[_L)[ E# ĹdE# .)[ QT 泰克测试方案及优势: 方案:MDO4014-3 特点: a) 五合一 b) 跨域分析测试 SPI 与 VCO 及射频信号时序对应 关系 c) 既可以通过 VCO 波形,也可以通过射频信号频 率解调功能测试锁相时间 d) 可直接测试跳频稳定时间 e) 可测试跳频图案 测试需求: 按照国军标 GJB3434-98 进行验收 跳频稳定时间 锁相建立时间 SPI 总线命令与 VCO 输出电压之间的对应关系 传统测试手段: 国军标规定示波器、频谱仪、调制域分析仪为基本 测试仪器 调制域分析仪测试频率稳定时间 示波器显示 VCO 输出波形测试锁相建立时间 频谱仪测试输出射频信号杂散 某些客户购买了 RSA 客户痛点: 多台仪表成本高,占地大,国军标为 98 年版本,测 试仪器已经有飞跃性发展 无法测试射频信号与控制信号时间关系 无法测试射频信号瞬态特性 无法得到跳频图案 RSA 带宽窄,价格高 MDO 跳频图案测试 MDO 跨域分析测试 SPI 命令与控制信号及射频信号的对应关 系 2 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO EMI 诊断方案 ( 一 ) 应用产业:任何与电信号相关产业 应用行业:任何电子设备、电路板设计 应用技术:频谱分析、时域分析、跨域分析 EMI 诊断: 在电子设备设计、调试阶段,随时进行 EMI 诊断是保 证电子设备通过 EMC 认证行之有效且费用最低的手 段。如果最终产品 EMC 认证不合格,设计者需要重新 进行 EMI 诊断,找出 EMI 问题的根源,但此时可用的 整改手段已经不多,进行重新设计,费用将倍增。由 此可见 EMI 诊断是日常工作中经常进行的,而 EMI 预 认证以及认证测试只有在电子产品定型阶段才进行。 有关 EMI 诊断预 EMI 预认证或认证的区别见下表。 EMI 诊断 EMI 预认证 / 认证 目的 查找 EMI 问题的根源,消除 确保最终产品符合 EMC 标准 或降低 EMI 问题的影响 对象 对屏蔽引起的 EMI 问题需 进行整机测试,对其它 EMI 问题进行电路板级测试 最终产品整机测试 测试 工具 电路板级测试用近场探头, 整机测试用天线接收辐射 干扰,或人工电源网络 (LISN) 接收传导干扰信号, 用中低档频谱仪进行测试 ( 通常在 6GHz 频段以下 )。 测试过程中一般用峰值检 波。通常示波器经常被用 来追踪 EMI 问题的根源 (1GHz 示波器带宽足够 )。 最终产品放置于屏蔽的 EMC 实验室中的可旋转测试台上, 用天线接收辐射干扰,或人 工电源网络 (LISN) 接收传导 干扰信号,用 EMI 测试接收 机 ( 或高端频谱仪 ) 进行测试。 测试过程中必须用 EMI 标准 的准峰值 (QP) 检波。 测试 方法 用近场探头手动逐区域诊 断,或用示波器探头逐端 子测试以追踪 EMI 根源, 解决一个问题后,需要再 次进行诊断,如此往复, 直至没有 EMI 问题 EMI 测试系统软件自动完成 测试并给出测试报告 EMI 定义: 电 磁 兼 容 (EMC) 包 括 电 磁 干 扰 (EMI) 和 电 磁 抗 扰 度 (EMS) 两部分。简而言之,EMI 是电子设备对外部电 磁环境的干扰,EMS 是电子设备抵抗外部电磁环境干 扰的能力。无论是 EMI 还是 EMS,都包括辐射和传导 两部分。EMC 认证是任何电子设备必须遵从的,EMI 是 EMC 中的重要部分。 EMI 测试: EMI 测试包括如下几类: 1. EMC 认证机构在 EMC 实验室进行认证测试 2. 企业质检部门利用 EMI 接收机或高指标频谱仪进行 EMI 预认证测试 3. 产品研发、调测部门利用频谱仪进行 EMI 诊断 4. 产品研发调测部门利用示波器测试电源纹波、时钟 抖动等特性,因为它们是产生 EMI 的因素之一。 峰值检波与准峰值检波: EMI 认证机构通常按照 EMI 标准的准峰值检波进行测 试, 而 EMI 诊 断 中 往 往 用 峰 值 检 波, 两 者 不 匹 配, EMI 诊断是否还有意义?由于 EMI 诊断的目的是为了 找出 EMI 的根源,并不需要绝对精确的测试,而是需 要相对的重复性好的测试。准峰值检波用来检测信号 包络加权后的峰值 ( 准峰值 ),它根据时长和重复率对 信号加权。准峰值检波的平均过程需耗费时间,测试 时间长,不利于日常诊断。由于准峰值检波测试幅度 结果永远小于或等于峰值检波的测试结果,因此在进 行 EMI 诊断时,用峰值检波可以快速发现 EMI 问题。 客户痛点: 1. 从电路板设计开始就应该考虑 EMI 问题,但受资金 限制,EMI 诊断设备往往不能配备到位。 2. 电子产品设计定型后去进行 EMC 认证测试,认证 机构给出不合格报告,仅指出辐射还是传导 EMI 不 合格,虽然给出干扰频点,但并不指出电子设备中 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 3 应用文章 MDO EMI 诊断方案 EMI 不合格的具体位置或原因,需自行进行 EMI 诊 断,耗费时间与资金。 3. 某些设备受环境制约无法进行屏蔽,需找出 EMI 根 源从设计上解决。频谱仪是发现 EMI 问题的基本测 试仪器,但某些情况下难以追踪 EMI 的根源。 4. 某些 EMI 问题可以通过屏蔽方式解决,虽然可以通 过 EMC 认证,但 EMI 影响该设备自身性能,必须 从根源上解决,或找出问题所在加以回避。在此种 情况下,频谱仪存在与 3 同样的问题。 5. 随着数据速率的加快,周期性突发的 EMI 问题日益 增多,必须通过对 EMI 周期的分析找出问题的真正 根源,这需要调制域分析。 6. 传导类 EMI 可以用示波器追踪,同时需要用频谱仪 测试,需要两种仪器结合运用。 泰克测试方案及优势: 1. 方案:MDO4014-3 + 近场天线 + P6150 + N 转 SMA 2. 特点: a) 五合一,完备的示波器功能既可以满足日常电路 调测需求,还可以追踪 EMI 问题的根源;频谱仪 功能可以随时诊断 EMI 问题。 b) 具有特色的跨域分析功能,便于分析 EMI 的真正 根源 c) 频谱高灵敏度、分析带宽宽,适用于 EMI 诊断测试 d) 可测试射频幅度随时间的变化,便于分析周期性 EMI 问题产生的根源 e) P6150 探头 ( 选配 ) 可直接将电路板电源或地线 连接到 MDO 频谱仪射频输入端,测试电源纹波 或地线不合理引起的 EMI 问题 P6150 探头 N 转 SMA 近场探头 案例一 利用 MDO 诊断风扇 EMI 超标问题 时间:2012 年 11 月 21 日 地点:上海浦西某实验室 待测试设备:某型号风扇 测试仪器:泰克 MDO4104-3 + 近场探头 面临的问题: 产品研发成功后,需通过 EMI 标准测试。之前已经将 产品送出去测试了 3 次,每次测试的花费都在 1 万人 民币,却始终没有通过。检测机构给出的报告也只告 知了超差的频点,没有给出超差的原因。 实测过程: 在 MDO 上连接好近场探头后,用 MDO 频谱仪功能测 试电机的射频辐射,发现在 50KHz 至 40M 频率范围 内辐射很大,特别是在 20MHz 和 40MHz 附近。 经 过 和 客 户 的 沟 通 后, 了 解 到 该 型 号 产 品 使 用 的 是 PWN 调制,调制频率为 20KHz,通过改变占空比来改 变转速。了解到该情况后,使用了 MDO 的时域频域联 调功能,测试结果图如下 4 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO EMI 诊断方案 通过 MDO 的时域频域联调功能,做幅值随时间变化的 曲线,可以发现辐射功率基本上以 3ms 为一个大周期。 在每一个周期内,射频辐射功率逐渐增大,在周期结 束时到达最大值。通过这一测试结果,我们可以确认 该风扇 EMI 问题和 PWN 调制相关。因为在 3ms 周期 内辐射功率的变化基本和 PWM 波的占空比变化成正 比。 案例总结: 本案例除了应用了 MDO 的频谱分析功能外,还应用了 MDO 射频信号幅度随时间变化的功能,这是一种调制 域分析。利用该功能,MDO 可以将 EMI 频谱以及 EMI 信号的幅度随时间的变化关联在一起,对查找类似本 案例中这种周期性变化的 EMI 问题的根源很有帮助。 案例二 利用 MDO 诊断无线 POS 机 EMI 问题 时间:2013 年 3 月 17 日 地点:深圳某公司 待测试设备:某正在研发阶段无线 POS 机 测试仪器:泰克 MDO4104-6 + 近场探头 面临的问题: 该无线 POS 机已经在该公司初步研发成型,由于该产 品要利用中国移动 900M GSM 网络传输刷卡信息, 除了 EMC 认证标准外,还要对移动通信性能指标进 行测试。经过几次测试,发现该产品 GSM900M 接收 灵敏度仅为 -70dBm,远未达到 -90dBm 的指标。该 公司有频谱仪,用该仪器已经发现这款无线 POS 机在 900MHz 频带内存在非常严重的 EMI 问题。为此,该 公司设计人员对电路板无线部分设计几经改动,但对 EMI 的降低效果并不明显。 上述 EMI 频谱为典型的方波频谱,但典型的方波频谱 中仅包含奇次谐波,而此 EMI 频谱中包含偶次充分。 另外,方波频谱 5 次以上的谐波幅度应该很低,但此 EMI 频谱包含极高次谐波分量。为进一步探寻此 EMI 的根源,我们将 MDO 通道 1 探头连接到该无线 POS 机电路板时钟端子,得到时钟与频谱跨域显示。 实测过程: 在 MDO 上连接好近场探头后,用 MDO 频谱仪功能 测试该无线 POS 机电路板的射频辐射,中心频率设 定为 1GHz,跨度为 2GHz,测试结果显示,该电路 板 EMI 问 题 延 续 至 1.8GHz, 在 100MHz 时 EMI 幅 度 达 -60dBm,900MHz~1GHz 达 -70dBm, 这 基 本 上 验 证 了 该 公 司 用 频 谱 仪 测 试 的 结 果。 由 于 EMI 在 900MHz 的 辐 射 强 度 大 -70dBm, 当 中 国 移 动 GSM900MHz 下行信号比 -70dBm 低时,将被 EMI 干 扰所淹没,该 POS 机将无法接收,因此其接收灵敏度 只能达到 -70dBm。 通道 1 显示的时钟纹波较大,这可说明该 EMI 频谱中 为什么包含偶次谐波成分,但并不能找到 EMI 频谱扩 展到 900MHz 的根源。为此,我们将 MDO 时基调小, 得到通道 1 时钟信号展开后的波形与 EMI 频谱的对应 图,我们发现该时钟信号的抖动非常严重,这就是造 成该 EMI 频谱扩展到 900MHz 的原因。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 5 应用文章 MDO EMI 诊断方案 与该公司设计人员讨论后,得知该电路板时钟信号是 由晶振经一个分频电路整形后产生的,以前他们也曾 怀疑时钟问题,但用示波器测试晶振输出,波形相当 理想,便未怀疑时钟问题。为此,设计人员断开分频 整形部分,将晶振输出的时钟信号直接飞线为电路板 的时钟,再测试该电路板 EMI 频谱如下: 案例三 利用 MDO 测试开关电源引起的 EMI 问题 时间:2012 年 11 月 16 日 地点:华北某大学 待测试设备:某电子设备电路板 测试仪器:泰克 MDO4104-6 + BNC 电缆 面临的问题: 该电子设备电路板为直径 15 厘米的圆形,放置于金 属屏蔽壳内,EMC 认证没有问题,但该设备自身工作 并不正常,怀疑是开关电源纹波造成的影响。由于开 关电源纹波的频率通常很低,传统的测试方法是用示 波器监测电源波形,并对该波形进行 FFT 运算以显示 电源纹波的频谱。由于示波器 FFT 所运算的频谱,其 跨度受制于示波器的时基,而且动态范围远低于频谱 仪,因此测试效果并不理想,没有确认电源纹波问题。 由于 MDO 是示波器与频谱仪的结合,客户便决定拿 MDO 再次测试。 实测过程: 首先测试该电路板 +5V 电源纹波,MDO 示波器通道 1 直接连接在 +5V,用交流耦合测试纹波。为了对比, 用 BNC 电缆一端连接 MDO50 欧姆射频输入端,另 一端剥开外皮直接连接到 +5V 上,设置中心频率为 2.5MHz,跨度为 5MHz。测试结果如下图: 由 此 频 谱 图 可 见, 该 时 钟 的 高 次 谐 波 没 有 超 过 200MHz,900MHz 时的已经没有 EMI 问题,可确认 该无线 POS 机 EMI 问题由电路板上的时钟分频与整形 电路引起。由于该无线 POS 机的工作时钟必须是分频 后的时钟,找到 EMI 根源后,设计人员需重新设计分 频及整形电路。 案例总结: 本案例除了应用了 MDO 的频谱分析功能外,还应用了 MDO 示波器与频谱跨域显示功能,利用此功能,轻松 地找到了 EMI 的问题所在。 6 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO EMI 诊断方案 由测试结果可知,该电源纹波达 20mV 左右,其频谱 在低频段达 -50dBm 左右。为了看清电源纹波的影响, 我们在示波器端做 FFT,同时将频谱仪的跨度设定为 50MHz,测试结果如下: 实测过程: 将示波器探头接到该电路板地线,同时将 BNC 电缆也 接到地线,为观测地线的 EMI,我们测试 1GHz 跨度 的频谱,测试波形如下: 从测试结果可知,示波器功能的 FFT 所显示的频谱与 频谱仪 5MHz 跨度频谱类似,但并不能看出什么问题, 而此图中的频谱显示,该 +5V 电源纹波的占用带宽一 直延续到 16MHz,因此对该设备影响严重。由此找到 该设备工作不正常的真正原因。 案例总结: 本案在测试电源纹波时,用示波器的同时,也应用了 频谱仪。灵活设置频谱仪的跨度,可轻松测试电源纹 波在频域中的占用带宽,MDO 集示波器和频谱仪功能 于一身,可将时域与频域联合显示,非常适于此类应用。 由此图示波器波形可知,该电路板地线上很不干净, 最大纹波月 20mV。在上图下半部分的频谱图中,发 现较严重的 EMI 问题,几乎在这个 1GHz 跨度内都存 在。从频谱曲线的形状可以判断,该地线上既存在开 关电源造成的 EMI 同时也存在时钟泄露造成的 EMI 问 题,因为在频谱曲线上有类似方波的谐波成分。通过 测试谐波分量的频谱间隔,可以轻松测试该时钟泄露 频率为 25MHz。由与 EMI 问题遍布整个跨度,为了测 试 EMI 最严重的频段,我们将 MDO 频谱仪跨度降低 为 500MHz,RBW 设置为 5M,得到如下测试结果: 案例四 利用 MDO 地线布局不合理引起的 EMI 问题 时间:2012 年 11 月 16 日 地点:华北某大学 待测试设备:某电子设备电路板 ( 与案例三为同一个设备 ) 测试仪器:泰克 MDO4104-6 + BNC 电缆 面临的问题: 在找到案例三中的问题后,我们立刻想到,既然电源 纹波会影响设备性能,地线上是否也会由于布线不合 理而存在该开关电源纹波造成的 EMI 问题?为此我们 做进一步测试。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 7 应用文章 MDO EMI 诊断方案 由测试结果可知,该地线在 105MHz 和 227.5MHz 两 处 EMI 幅度较高,利用 MDO 跨域分析功能,在上半 部分时域曲线中,橙色条位置为下半部分频谱分析时 间段,此时该时间段位于距触发点 1.02uS 处,即地线 上较宽的波形处。我们向左调整频谱分析时间段,得 到如下测试结果: 案例五 利用 MDO 测试高速数据引起的 EMI 问题 时间:2012 年 11 月 16 日 地点:华北某大学 待测试设备:某视频信号处理设备电路板 测试仪器:泰克 MDO4104-6 + BNC 电缆 面临的问题: 本案例中的客户与案例三和案例四是同一客户,但被 测电路板不同,本次测试该客户另一款视频信号处理 单元的电路板。众所周知,视频信号对干扰十分敏感, 处理不好,很容易出现马赛克现象,该客户就存在这 样的问题 实测过程: 由于有了前两次的测试经验,我们直接想到的就是电 源或地线上的 EMI 问题,于是将示波器通道 1 接到该 电路板 +5V 供电,同时用 BNC 电缆将该电源接到频 谱仪输入端,得到测试结果如下: 此时,频谱分析时间段位于距触发点 730nS 处,即地 线上较短的波形处,可知该处产生 227.5MHz 的 EMI 干扰。再调整频谱分析时间段至地线杂波较宽处,即 距触发点 1.1uS 处,得到测试结果如下: 由测试结果可知,此处地线上的纹波产生 105MHz 处 的 EMI。通过以上跨域分析,我们可以找到 EMI 产生 的根本原因。 案例总结: 本案在测试地线上的纹波时,在用示波器的同时,也 应用了频谱仪,可以轻松发现 EMI 问题。灵活设置频 谱仪 RBW,利用 MDO 独有的跨域分析功能,可轻松 查找某个频段的 EMI 产生的根源。 在这个测试结果中,我们发现黄色的电源波形上仍然 有 20mV 的纹波存在,下半部分的频谱图中,低频端 的底噪抬起以及相应的频峰也是典型的电源纹波造成 的 EMI 频谱。光标 a 示意出该电源纹波的 EMI 带宽只 有 384KHz,远低于案例三中的 16MHz,说明这个视 频处理电路的供电纹波大大优于案例三中的电路,因 此对视频信号造成的干扰来源,应该不是电源纹波造 成的。但是从上图下半部分频谱上,我们还在 1MHz 和 1.35MHz 两个频点看到频峰,而且这些频峰还在随 时间变化,另一时刻的测试结果如下: 8 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ MDO EMI 诊断方案 应用文章 40mS,得到测试结果如下图: 此 时 刻 EMI 频 率 峰, 除 了 上 图 的 两 个 外, 还 有 608KHz 以及 910KHz 等多个频率峰,这些频率峰的存 在,预示着该 EMI 问题可能与某些时钟串扰有关,由 于其呈周期性变化,一时还难以判断与哪类时钟有关。 对于这种呈周期性变化的 EMI 问题,最好的测试方法 就是对射频信号进行幅度解调,将射频信号的幅度随 时间的变化规律显示出来。为此我们将 MDO 时域的时 基由 10uS 调整为 10mS,同时打开 MDO 射频幅度随 时间变化的功能,得到下面测试结果: 由此图上半部分时域波形中的橙色曲线,我们可以看 到明显地发现射频输入的幅度呈周期性变化的规律。 在此图中,表示频谱时间段的橙色条位于较宽的突发 处,下半部分频谱图显示频率峰间隔约 300KHz,说明 此刻 EMI 与一个 100KHz 时钟有关。我们将频谱分析 时间段移动到带有台阶的突发较窄段,得到如下结果: 通过上图中上半部分时域波形中橙色的幅度随时间的 变化曲线,我们已经发现了射频信号的幅度呈规律性 的 变 化, 只 是 10mS 时 基 仍 然 不 够 长, 无 法 看 清 射 频 信 号 变 化 的 全 貌, 于 是 我 们 进 一 步 将 时 基 延 长 到 此 时 的 频 峰 间 隔 比 300KHz 短, 说 明 此 时 刻 EMI 与 另 一 个 频 率 低 于 100KHz 的 时 钟 有 关。 我 们 在 时 域 波形中打开光标,可以此时带台阶的突发重复周期约 20mS,较窄突发与较宽突发重复周期约 10mS,由此 可初步判断该视频处理单元电源线上的 EMI 与控制图 像的两个时钟信号有关。于是我们继续移动频谱分析 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 9 应用文章 MDO EMI 诊断方案 时间段到矮台阶处,得到如下结果: 重新设计,等于是从头再来,不可接受。观察一段时间, 我们发现该底噪抬升是随时间变化的,于是我们分别 存储了底噪最高时和底噪最低时的两个结果如下: 此时,频峰间隔再起变化,由此找到另一个干扰视频 质量的时钟泄露问题。 案例总结: 对周期性变化的 EMI 干扰问题,MDO 的幅度随时间变 化功能非常有用,可以轻松找到潜在的多个问题的根 源。 此时为底噪较高时,达 -65dBm。 案例六 利用 MDO 测试高速数据引起的 EMI 问题 时间:2011 年 11 月 17 日 地点:西安某公司 待测试设备:某电子设备电路板 测试仪器:泰克 MDO4104-6 + 近场探头 面临的问题: 该 电 子 设 备 为 300MHz 频 段 专 用 的 无 线 通 信 设 备, EMC 认证没有问题,但该设备自身工作并不正常,以 前曾用频谱仪配近场探头测试过,发现在嵌入式射频 发射电路板内 FPGA 处有较强的 EMI 辐射,造成底噪 升高,使得该通信设备发射信号信噪比降低,影响通 信质量。多次整改设计方案,效果不明显。 此时为底噪较低时,最高底噪幅度不超过 -80dBm。 对于幅度随时间变化的频谱,MDO 的优势在于调制域 分析,为此我们打开 MDO 幅度随时间变化曲线显示功 能,用 MDO 射频功率触发得到如下测试结果: 实测过程: 既然客户已经测试过 EMI,我们首先用 MDO 进行验证, 在 0~330MHz 跨度内测试该电路板 EMI 问题,果然发 现底噪抬升明显,EMI 问题十分严重。用近场探头逐 点探测,的确在该电路板 FPGA 处底噪抬升最为明显, 说明该电路 EMI 源自此 FPGA。此 FPGA 面积不大, 很容易屏蔽,因此通过 EMC 认证没有问题,关键是此 电路板射频射频输出信噪比差自身特性受影响。由于 FPGA 是此电路板的心脏,一旦定型,很难改动,如果 10 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO EMI 诊断方案 从测试结果看,触发点处底噪幅度最高,在 280MHz 以及 432MHz 处达 -59dBm。图中上半部分显示,突 发幅度呈周期性变化,用 MDO 时域光标,可以测试出 其周期为 94uS。我们移动代表频谱分析时间段的橙色 条到突发幅度右侧的几条线处,得到测试结果如下: 由于该电路板 EMI 呈周期性变化,既然 FPGA 的设计 难以在短时间内更改,我们能否通过有效的控制手段, 让有用的射频信号在突发周期间隔中底噪较低的时刻 发射,而在突发幅度时刻不发射有用信息?客户认为 此方法可行。底噪呈周期性变化,必定与电路板中某 种控制信号相关,虽然我们已经测试出突发底噪变化 的周期,但如果我们不知道这种周期与哪种控制相关, 上述设想就难以实现。客户对其内部控制时序相当熟 悉,94uS 的周期刚好是该电路板高速 USB 信号传输 控制周期。为了验证这一假设,我们将 MDO 示波器通 道 1 接到高速 USB 控制测试点,同时测试射频频谱, 得到如下结果: 此时底噪明显下降,280MHz 处为 -71dBm,当我们 再将频谱分析时间段右移至完全没有突发幅度处时, 得到如下测试结果: 此时底噪已经降低到 -85dBm 一下,原来 280MHz 频 点处被底噪淹没的 -73dBm 的信号此时已经显现出来。 以上测试结果充分证明了通道 1 中的高速 USB 信号与 底噪突发抬升的规律相同,证明二者相关。高速 USB 的时序由嵌入式程序控制,因此只要在程序中控制射 频在高速 USB 信号发出后延迟 50uS 发射,发射持续 时间小于 40uS 即可。 案例总结: 本案例利用 MDO 跨域分析及调制域分析功能,成功地 确认 EMI 与高速 USB 信号相关,通过时序控制,跨域 有效避免以前难以解决的问题。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 11 应用文章 MDO EMI 诊断方案 案例七 利用泰克实时频谱仪发现瞬态 EMI 问 题,用 MDO 追踪该 EMI 根源 时间:2013 年 4 月 1 日 地点:某公司机房 待测试设备:某电子装置 测试仪器:泰克 RSA5106,MDO4104-6 + BNC 电缆 面临的问题: 该电子装置为 2.4GHz FSK 射频发射装置,FSK 速率 约 10KHz。该装置安装在某大型设备内部,定期将设 备的工作参数传送到中央控制机房。该装置一般情况 下工作正常,但如果有操作人员对大型设备进行控制 面板的操作,该发射装置传送回的数据有问题,使得 大型设备存在安全隐患。检修时用误码仪测试,发现 操作人员每次按大型设备控制面板按键,该电子装置 发射的 FSK 信号误码将剧增。更换大型设备控制面板 及相关连接线,情况依旧。用频谱仪监测操作大型设 备控制面板时的 FSK 频谱,并未发现问题。 实测过程 我们首先拿 MDO 到客户现场,依然用频谱功能监测操 作大型设备面板时的频谱,也没有发现问题。我们分 析可能是存在问题为瞬态问题,第二天特地带来痛苦 公司的实时频谱仪 RSA5106。由于 FSK 频谱可能对发 现问题造成影响,我们建议客户让该电子装置仅发射 2.4GHz 载波,操作大型设备面板,用 RSA5106 DPX 功能去查找问题。由于 RSA DPX 功能可以 100% 发现 频域上驻留时间大于 3.8uS 的偶发事件,在按压大型 设备控制按键时,观测到如下 DPX 频谱: 下来,然后进行时间相关的多域分析,其结果如下: 在这一结果中,左上角显示了 FSK 发射装置 2.4GHz 载波在这一变化过程中的三围频谱,右上角显示这一 变化过程中的 2.4GHz 载波的幅度随时间的变化,左 下角为 2.4GHz 载波的频谱,右下角为 2.4GHz 载波频 率随时间的变化。由此测试结果可知,该 2.4GHz 载 波在操作大型设备控制面板时,幅度基本不变,但频 率有瞬态畸变,最大变化约 -16MHz,变化持续时间 约 470uS。由于大型设备控制面板按键为人工手动, 其重复时间约秒的量级,也就是说,在 1 秒 的重复 周期内,2.4GHz 载波的频率在 420uS 瞬时内变化了 16MHz,这种情况,普通频谱仪很难监测到,这就是 以前未能找到问题的原因。由于该 FSK 发射装置调制 速率约 10KHz,即周期约 100uS,420uS 频率的变化 足以引起误码。虽然找到了问题,但如何解决此问题? 误码必须找到引起该问题的根源。误码分析一下引起 该问题的前因后果:操作人员按了大型设备的按键引 起监控发射装置的性能变化。一般情况下,按键所能 造成的干扰,不是在地线上,就是在电源上。于是我 们将 MDO4104-6 的示波器通道 1 连接到 FSK 的供电 电源上,按压大型设备控制按键,果然在波形上监测 到干扰毛刺: 在 DPX 频谱中,颜色越兰,表示信号驻留时间较长, 2.4GHz 载波和底噪颜色较深,而那些暗淡的蓝色表 示在操作大型设 备控制面板时,FSK 发射装置频率 发 生 了 改 变, 只 不 过 这 个 改 变 持 续 时 间 很 短。 利 用 RSA5106 的频域触发功能,我们轻松将这一过程捕捉 12 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO EMI 诊断方案 虽然在按压控制面板时 FSK 发射装置的电源上有干扰 毛刺,我们如何判断这个干扰就是引起误码的根源? MDO 独特的跨域分析功能,跨域很好地将 2.4GHz 射 频信号与电源毛刺关联起来。我们用 MDO 示波器通道 1 的电源毛刺做触发,同时采集 2.4GHz 载波,并在时 域中显示 2.4GHz 载波的频率随时间变化的波形,得 到如下结果: 试的波形相同,持续时间都是 470uS 左右。调整上图 上半部分代表频谱分析时间窗的橙色条在时间轴上的 位置,我们可以看到 2.4GHz 载波频谱变化的过程: 由测试结果可以看出,电源毛刺出现后,2.4GHz 载波 的频率随之发生畸变,其变化的波形与 RSA5106 所测 通过这一测试,我们可以断定引起 FSK 发射装置误码 的根源就是按压大型设备控制按键所造成的传导 EMI 干扰问题,只需在 FSK 发射装置电源上适当滤波,就 很容易解决。 案例总结: 本案充分展现了 EMI 诊断与 EMI 预认证的关系。泰克 实时频谱仪相当于 EMI 预认证测试仪,该仪表具有发 现瞬态 EMI 的优势,并且能够测试 EMI 的影响。即 使如此高端的频谱仪,也无法追踪 EMI 的真正来源。 MDO 跨域分析特性,轻松诊断出该 EMI 与电源瞬态波 动的关系,顺利地追踪到 EMI 的根源。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 13 应用文章 MDO EMI 诊断方案 ( 二 ) 应用产业:任何与电信号相关产业 应用行业:任何电子设备、电路板设计 应用技术:时域分析、频域分析 泰克测试方案及优势: 方案:MDO4014-3 + 近场天线 + TPA-N-VPI 特点: a) 五合一 b) 跨域分析 c) 频谱高灵敏度、分析带宽宽 d) 可测试射频幅度随时间的变化,分析 EMI 产生的 根源 e) TPA-N-VPI 可将示波器探头直接连接到射频输入 端进行传导类 EMI 测试 测试需求: 发现 EMI 问题 找出 EMI 根源 传统测试手段: EMI 接收机进行 EMI 预认证 频谱仪发现 EMI 问题 用近场天线找出 EMI 位置 用示波器对低频 EMI 进行分析 MDO 时频对应测试电源上的 EMI 客户痛点: 认证机构给出不合格报告后不知原因 某些设备受环境制约无法进行屏蔽,需找出根源从 设计上解决 传导类干扰可能无法用天线测出 用示波器分析低频干扰局限性较大 MDO AvT 功能分析 EMI 产生的时间周期,从而分析 EMI 的 根源 14 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO 在 EMI 测试中的应用 时间:2012 年 11 月 21 日 地点:上海浦西某客户实验室 待测试设备:客户产品 测试目的:验证客户产品的 EMI,并找出超标原因 测试仪器:泰克 MDO4104-3 该客户的产品是某型号小的电机 ( 风扇 )。该型号产品 研发成功后,需通过 EMI 标准测试。之前该客户已经 将产品送出去测试了 3 次,每次测试的花费都在 1 万 人民币,却始终没有通过。检测机构给出的报告也只告 知了超差的频点,没有给出超差的原因。 在 MDO 上连接好近场探头后,测试电机的射频辐射, 发现在 150KHz 至 20M 频率范围内辐射很大,特别是 在 500KHz 附近。经过和客户的沟通后,了解到该型 号产品使用的是 PWN 调制,调制频率为固定 20KHz, 通过改变占空比来改变转速。了解到该情况后,使用了 MDO 的时域频域联调功能,测试结果图如下 通过 MDO 的时域频域联调功能,做幅值随时间变化的 曲线,可以发现辐射功率基本上以 3ms 为一个大周期。 在每一个周期内,射频辐射功率逐渐增大,在周期结 束时到达最大值。客户在看到测试结果后,确认了和 PWN 调制相关。因为在 3ms 周期内辐射功率的变化基 本和 PWM 波的占空比变化成正比。 客户对测试结果表示满意。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 15 应用文章 调试 EMI:是峰值、不是峰值 了解:  执行 EMI 诊断和调试所需的工具。  使用 MDO4000C 系列混合域示波器,它把频谱分 析仪、示波器和逻辑分析仪整合到一个工具中,使 EMI 调试变得比以前更加简便。 EMI 诊断 - 什么是 EMI 诊断? EMI 诊断是识别不想要的辐射或干扰源、并解决问题 的过程。在设计人员怀疑设计中可能存在 EMI 问题, 或者在 EMI 实验室中扫描失败以后,都要执行 EMI 诊 断。不管是哪种情况,应用都是相同的。首先林使用 频谱分析仪扫描认为有问题的物理区域,频谱分析仪 通常会带有近场探头 / 天线,确定当前问题的位置和范 围。解决 EMI 问题的方案包括对设计应用屏蔽、重新 设计现有屏蔽罩、通过改变布局或元器件位置降低来 源处的 EMI、或者可能会改变固件控制来源行为的方 式。不管是哪种方案,在应用设计变化之前、之后及 之中,都必须评估设计的辐射,以确定修复方案是否 成功。 完成工作需要哪些东西?  EMI 诊断工作几乎一直要使用 EMI 频谱分析仪, 在 RF 频谱中分隔出各种频率,确保找到干扰频率 来源,降低其幅度。  在使用频谱分析仪缩小范围后,经常要使用示波器, 评估电源和数字电路中的 EMI 来源。  还可能会使用逻辑分析仪,确定 EMI 是由特定逻 辑状态引起的,还是由被测器件中可能存在的软件 错误引起的。由于一个设计中的模拟电路、数字电 路和 RF 电路之间交互更加复杂,EMI 变得更加具 有瞬态特点,示波器和逻辑分析仪也变得越来越常 用。  必须使用探头,捡拾被测器件附近的信号,或捡拾 直接连接到电路上的信号。 EMI 诊断中选择使用的频谱分析仪可能会不同于预一 致性测量应用和一致性测量应用中使用的频谱分析仪 或 EMI 标准接收机。在执行预一致性测试时,您可能 需要有正确的滤波器、检测器和平均功能。频率精度、 幅度精度、极限线测试和动态范围可能要更重要。一 致性测试工具和预一致性测试工具通常检验是否存在 问题,但可能不能诊断问题的根本原因。在诊断工作中, 需要识别和调试辐射来源,这些需求推动着频谱分析 仪要求。下面说明了诊断要求:  频率范围:对大多数商业设计来说,会在 1 GHz 以下执行 EMI 诊断。视法规要求或设计性能,您 可能需要更高的频率范围。为把频谱事件与设计 中的数字信号和模拟信号关联起来,能够捕获宽 (>1GHz) 瞬时带宽的频谱分析仪是一个优势。这有 助于显示各种频率上的辐射是否都指向一个共同的 问题或来源。  频率精度:为找到关心的信号,在 1 GHz 时好于 ±10 kHz 的频率精度对几乎所有情况都已经足够 了。  峰值检测和 Max-Hold:这确保找到干扰信号的峰 值,并保持在屏幕上,在日后再与改进产品的输出 进行对比。由于只执行相对测量 ( 修复前和修复后 ), 分析仪不一定要有满足标准的准峰值检测器、滤波 器或平均功能。这些 EMI 功能只改变绝对功率测量, 而不改变相对测量,因此在诊断和调试过程中几乎 没有什么价值。  灵敏度:对诊断应用来说,几乎所有低档和中档频 谱分析仪都有足够的灵敏度。视探头和信号电平, 可能需要前置放大器。  动态范围:诊断应用很少有苛刻的动态范围要求。 被评估的信号一般是屏幕上的大信号,60 dB 的动 态范围一般来说远远足够了。  幅度精度:EMI 诊断测量是在应用修复前和应用修 复后进行的相对测量。绝对精度并不关键,但可重 复性非常关键。对这种工作来说,几乎所有频谱分 析仪都有足够的精度和可重复性。 EMI 诊断使用的示波器必须有足够的带宽和通道数, 以考察关心的电路,在应用修复前和应用修复后,进 行定时测量和电平测量。一般来说,使用的示波器是 设计实验室中已经使用的示波器,设计实验室的要求 是选择过程的推动因素。 16 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 调试 EMI:是峰值、不是峰值 应用文章  带宽:必须能够测量设计中存在的信号的电平和定 时。导致 EMI 问题的大多数信号的时钟频率都低 于 1 GHz,问题中特定频率的需求可能会引导带宽 选择。但是,由于示波器也可以作为通用工具使用, 其它需求也可能会推动仪器选择。  通道数量:4 通道示波器在设计应用中最为常用, 对 EMI 诊断足够了。 逻辑分析仪要求一般是由设计实验室的需求推动的, 使用的逻辑分析仪一般是市场上已有的逻辑分析仪。 对 EMI 诊断来说,逻辑分析仪主要是能够考察瞬态 EMI 事件期间发生了哪些活动。逻辑分析仪的考虑因 素包括:  带宽和通道数:这一要求一般是由其它需求推动的, 而不是 EMI 诊断。满足设计需求的任何逻辑分析 仪都足够了。MSO 或 MDO 的逻辑通道功能一般 能够满足 EMI 诊断需求。  总线和解码支持:逻辑分析仪必须能够触发设计中 的信号,能够解码设计使用的总线。这一需求也是 由被测器件的设计和功能推动的。 EMI 使用的近场探头是电磁捡拾装置,用来捕获关心 区域的电场 (E) 或磁场 (H)。 制造商销售一系列探头,这些探头在尺寸、灵敏度和 频率范围之间实现了最好的折衷,您可能需要在工具 箱中放上所有规格的探头,才能解决问题。是选择磁 场探头还是电场探头,可能取决于设计中的信号位置 或供电特点 ( 是电压还是电流 )。例如,存在金属防护 罩可能会抑制电场,应用中可能必需使用磁场探头。 电压探头与示波器和频谱分析仪一起使用,直接连接 关心的电路。传统示波器探头可以与频谱分析仪一起 使用,但会产生灵敏度损失,具体视探头的阻抗而定。 例如,连接到 50 欧姆频谱分析仪上的 500 欧姆 Z0 示 波器探头将产生 10:1 分路器,把频谱分析仪输入上的 信号降低 20dB。然而,在直接连接到电路上时,信号 一般很大,即使信号电平下降,频谱分析仪仍能看到 信号。此外,频谱分析仪的典型灵敏度要比示波器好 几个量级,因此探头损耗很少成为限制因素。 您是否需要准峰值检测? 可以使用简单的峰值检测器,进行 EMI 测量。但是, EMI 部门或外部实验室使用准峰值 (QP) 检测器。因 此,您会怀疑是否也需要 QP 检测器。 在开始测试时,EMI 部门或外部实验室一般先使用 简单的峰值检测器,找到超过或接近规定极限的问 题区域。对接近或超过极限的信号,他们执行 QP 测 量。QP 检测器是 EMI 测量标准规定的一种专用检测 方法。QP 检测器用来检测信号包络加权后的峰值 ( 准 峰值 )。它根据时长和重复率对信号加权。发生频次 较高的信号得到的 QP 测量值要高于发生频次较低的 脉冲。 上图是峰值检测和 QP 检测实例。这里,在峰值检 测和 QP 检测中都能看到 8 ms 脉宽和 10 ms 重复率 的信号。得到的 QP 值比峰值低 10.1 dB。 应该记住的一个好的规则是,QP 将一直小于等于峰 值检测,而永远不会大于峰值检测。因此,您可以 使用峰值检测,进行 EMI 调试和诊断。您没必要精 确到 EMI 部门或实验室扫描,因为它总是相对的。 如果您的实验室报告显示设计高出 3 dB,峰值检测 高出 6 dB,那么您需要实施修复方案,把信号降低 -3 dB 或更多。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 17 应用文章 调试 EMI:是峰值、不是峰值 应用实例 图 1: 泰 克 MDO4000C 系 列 把 频 谱 分 析 仪、 示 波 器 和 逻 辑 分 析 仪 组 合 到 一 台 仪 器 中, 从 所 有 三 台 仪 器 中 生 成 时 间 相 关 测 量。 下面的应用实例使用集成频谱分析仪、示波器和逻辑 分析仪的泰克 MDO4000C 系列,确定 EMI 问题的根源。 一旦了解问题,可以实施修复,并重新测量干扰信号 电平,确定变化效果。这一应用分为三步:  在物理上识别问题位置  在电气上识别问题根源  测量再设计的效果 图 3:在 Max-hold 中,在 137 MHz 处使用峰值检测捕获的 信号。细节显示信号有时提高 ~12dB。 这类瞬态辐射是调试起来最麻烦的某些信号。如果使 用传统频谱分析仪,几乎没有什么工具可供调试这个 问题,调试现在走进了死胡同。 通过 MDO4000C,您距找到问题、并使用测量进行验 证只有一步之遥。MDO4000C 的触发系统的触发源之 一包括 RF 功率。考虑到这个信号很大,随着时间推移 显著变化 (~12dB),它可能会被用来触发仪器。通过 正确设置 RF 功率触发,可以观察信号的时域特点。 MDO4000C 中的触发系统控制着所有输入上的采集: 4 个模拟示波器输入、16 个数字输入以及 1 个频谱分 析仪输入。因此,一次采集包含这些输入开关信号活 动的无缝时间捕获。您可以在一个时间相关画面上, 观察所有这些信号的活动。在本例中,通过触发瞬态 RF 信号,我们现在可以观察 RF 信号的时域特点,以 及电路板上的周围信号。 频谱时间指示符 图 2:使用近场探头,发现干扰信号的峰值位置。 使用频谱分析仪确定 EMI 问题。在本例中,我们发现 宽扫描中最高的峰值是 137 MHz 附近的瞬态峰值。我 们使用 MDO4000C 频谱分析仪和近场探头,发现问题 的最坏位置在电路中 FPGA 一侧周围,如图 2 所示。 我们使用频谱分析仪上的 Max-Hold 和正态检测器观 察信号,很快显示这是一个变幅信号,随着时间推移, 幅度移动了大约 12 dB。图 3 显示了在宽频宽内峰值 条件和最小条件下的信号。 18 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 图 4:RF 幅度随时间变化曲线显示不同时间上的周期突发能 量,频谱中显示了频宽。 应用文章 调试 EMI:是峰值、不是峰值 仪器记录不同时间中频谱分析仪输入上的信号,能够 观察频谱怎样随时间变化,以及 RF 幅度、频率和相位 随时间变化。图 4 显示 MDO4000C 显示画面中增加了 RF 幅度随时间变化轨迹。 屏幕中间看到的短横“条”,就在 RF 幅度随时间变化 曲线下面,称为频谱时间指示符。这个横条表明被测 量的频谱 ( 如下方窗格所示 ) 采集内部的特定时间周期。 在这个图中,频谱时间指示符的位置与屏幕中心所示 的 RF 能量突发一致。您可能会怀疑显示的每个突发将 与 ~137 MHz 处观察到的瞬态信号峰值对应。频谱时 间指示符可以在采集内部来回卷动,观察 RF 信号在不 同时点的频谱是什么。图 5 显示了频谱时间向右移动 大约 50μs,因此它位于两个突发之间。通过检查这 两种情况下的频谱轨迹,可以明确看出 137 MHz 处的 信号电平在这个位置大约低 12dB。这证实了 RF 幅度 随时间变化中观察到的突发对应着 137MHz 信号的瞬 态提高。 图 6:通道 11 显示了 USB_HS 头部的电压。很明显,这个 头部的高速数据突发与 137 MHz 处的突发能量一致。 图 6 显示了来自 CH1 上电路板中 USB_HS 头部的信号。 很明显,这个信号上数据的高频突发与 RF 能量突发完 全一致。从这里,我们可以得出结论,USB_HS 端口 上这个高速数据突发的生成和传输与 137 MHz 的瞬态 辐射一致。 必需指出,与 RF 辐射一致的信号可能并不是辐射的实 际来源,但可能是一条线索,帮助您找到实际来源。 在本例中,被检测的 USB_HS 信号距捡拾 RF 信号的 FPGA 位置为 3”。此外,USB_HS 突发在 137 MHz 处不包含能量。这可以明确,FPGA 为创建这个 USB_ HS 数据所执行的活动导致其在 137 MHz 处放射出更 高的能量。如果不能如本图所示,对 RF 信号与电路板 上的其它信号实现时间相关,那么将很难或不可能获 得了解瞬态 EMI 来源的这类信息。 图 5:频谱时间指示符在 RF 突发之间移动。在这个时间位置, 137MHz 信号电平低 ~12dB。 在确定了 137 MHz 突发的周期性特点外,我们可以把 注意力转向识别这个瞬态信号的潜在根本原因。电压 探头被连接到 CH1,CH1 轨迹被增加到显示画面中。 在触发 RF 信号的同时,可以观察电路板上的其它电压。 相对于 RF 幅度随时间变化,与麻烦的 RF 突发不相关 的任何信号都将显示为不同步或不稳定,而与突发一 致的任何信号都将是稳定的,并与突发排成一行。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 19 应用文章 调试 EMI:是峰值、不是峰值 测试修复方案: 总结 在知道了问题的根源后,可以通过改动,来解决问题。 通过重新设计电路板、在电路板上放置 RF 抑制器件, 可能会修复这个问题,设计可能要求屏蔽罩,或改变 固件。不管选择哪种缓解措施,都必须评估变动的效果。 其实现方式是使用近场探头重复 EMI 问题的初始测量, 然后测量在信号电平中所做变化带来的差异。 执行 EMI 诊断是许多设计人员需要做的工作的一部 分。常用工具有传统频谱分析仪和近场探头。在诊断 中, 还 可 能 会 用 到 示 波 器 和 逻 辑 分 析 仪。 通 过 使 用 MDO4000C 系列,对模拟信号和数字信号提供时间相 关频谱分析,您可以比传统工具更精确、更快速地隔 离问题。MDO4000C 是一种功能强大的、灵活的仪器, 最大限度地缩短找到干扰源所需的时间。 EMI 诊断和预一致性测试 缩短解决 EMI 问题所需的时间 您从未规划过的解决 EMI 问题的省时方案。当今最 大的 EMI 挑战是识别 EMI 问题的位置和来源,捕获 瞬态 EMI 事件。泰克混合域示波器把混合信号示波 器的功能和频谱分析仪融合在一起,捕获模拟信号、 数字信号和 RF 信号,并实现时间相关,在系统级 全面查看器件中一致的事件。当频域发生事件时, 泰克实时频谱分析仪能够查看、触发和分析最简短 的信号的影响,并包括极限行扫描以及通过 / 失败 测试、EMI 滤波、检测器和平均功能,提供高信心 预一致性测试。 了解更多:www.tektronix.com 20 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 在设计嵌入式 ZigBee ( 或其它基于 IEEE 802.15.4 的协议 ) 射频解决方案时,在最终产品中的集成度方面有一些 折衷的考虑。挑战在于如何平衡集成度和开发成本对最终应用性能的要求。由于低成本无线技术在许多电子产品 应用中激增,简化 ZigBee 模块性能的验证和检验非常重要。本应用指南展示了泰克 MDO4000C 系列示波器在验 证和检验 ZigBee 无线模块集成度方面的应用及简便性。 图 1. 泰克 MDO4000C 系列混合域示波器和 Microchip 无线电测试电路板模块。 嵌入式集成 ZigBee 模块 事实证明,IEEE 802.15.4 物理层无线技术在各种短距 离控制和数据通信应用中非常流行。ZigBee 协议提供 了一个由设备组成网状网络,因此大型区域及数百台、 甚至数千台设备可以相互通信。至少在理论上,不同 来源的 ZigBee 标准设备可以相互通信。不同的 IEEE 802.15.4 协议厂商,提供了功能少、软件简单的方案, 可以在有限的特定应用或特定功能中工作。 无线系统应用包括家庭和商业楼宇自动化、能源监测和 控制、安全系统、医疗监测及各种商业和工业产品。 围绕着这套通信标准已经开发出了丰富的 IC 和模块支 持结构,这些模块带有天线,并经 FCC 或其它地区机 构认证。每个 IC 和模块还有两个增强选项。嵌入式产 品只采用 IEEE802.15.4 低层协议的射频电路,因此需 要单独的微控制器或微处理器来处理 ZigBee 或其它高 级软件及应用。也有的 IC 和模块内置微控制器,运行 ZigBee 或其它协议软件。许多 IC 和模块带有未定义的 I/O 引脚,因此整个产品可能需要很少模块和传感器和 / 或制动器及附件。此外,许多模块带有功放和接收机 低噪声前置放大器 (LNA)。功放和 LNA 可以明显提高 射频范围,但成本高、能耗大。 对任何一种方案,都需要 PCB 支持 IC 或模块。还需要 有足够峰值功率及低噪声的电源。如果选择芯片级方 案,还需要相应的天线接口电路。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 21 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 图 2. 来自不同厂商的典型 ZigBee 无线电选项实例,可以有 不同的集成度,从无线电集成电路到全面集成模块及微控制 器、功放和 LNA。 图 2 从左到右显示了无线 IC(MicrochipTechnologies MRF24J40)、带有 100 mW 功放和 LNA(Microchip MRF24J40MB) 的无线模块、射频和微控制器集成电 路 (Ember EM357)、以及带有微控制器和外部功放和 LNA (Ember EM357-MOD) 的无线模块。 ZigBee 设计考虑因素 当越来越多的产品采用 ZigBee 技术时,从许多类型的 无线系统中选择一种应用,设计人员会面临着许多取 舍,包括: 1. 成本-与 IC 相比,模块的原材料成本与工程设计和 机构认证成本之间存在着明显的矛盾。模块成本明 显要高于射频 IC,因为需要大量的支持及组装工人 , 部分额外成本在于 PCB 材料,但大多数是补偿模块 设计费用及模块制造商成本。然而,无线电路设计 及机构认证也具有成本。对基于 IC 的设计,如果要 使用 ZigBee 协议,ZigBee 联盟测试和认证会增加 成本。经验表明,集成 IC 对模块的盈亏平衡点典型 为 10,000 块对 25,000 块。 2. 开发时间- 一旦产品准备就绪,就可以推广预认证 的模块。集成电路级设计的机构审批时间最短要一个 月,但通常要远远长于一个月。一般来说,这一般会 增加到开发过程中,因为产品必需接近最后形状,软 件需要基本完成之后,才能开始认证测试。 3. 外观形状-设计一个定制的 IC 级无线系统可以灵活 地配置射频电路。在定制设计中,根据产品的整体配 置,无线系统可以利用模块放不进去的空间。一般来 说,提供的模块所有部件都位于 PCB 一侧,以便模 块能够焊接到主电路板上。在定制设计中,部件可以 放到任何配置中,并放在电路板的两侧。 4. 协议灵活性-许多模块或内置微控制器 IC 的制造商 不提供 ZigBee 或其它通信软件的源代码。这意味着, 如果希望或需要定制功能,那么在厂商没有提供这种 功能时,几乎没有可用的资源。 5. 特殊要求-对有些应用,需要硬件模块或 IC 集成了 射频和微处理器的功能,虽然可以选择增加第二个微 控制器,但总成本会提高到超出所需水平。在其它情 况下,可能希望提供市场上没有的功能。例如,美国 规范允许 1 W 的无线输出功率,但有这种功能的模 块很少。 6. 天线类型和位置-模块在 PCB 上提供了天线,其方 式为印刷模式,如 Microchip 模块,或者为“芯片” 天线,如 Ember 模块,并带有外部天线。如果天线 位于屏蔽外壳内部,或离最终封装设计中的其它组件 太近,模块上的天线可能会影响性能。有的模块带有 外部天线使用的连接器。但是,唯一合法的天线是使 用与模块一起经过认证的天线。如果有理由 ( 如需要 更高的增益 ) 使用模块厂商不支持的天线,那么要求 机构认证,这会导致相应的成本和时间。 22 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 集成 ZigBee 的射频实现与测试 应用文章 PC 控制器 RF 输入 4/ SPI 总线 无线电测试模块电路板 通道 1 电压 通道 4 电流 无线电模块 SPI 总线 电源 或电池 测试电路板 稳压器 图 3. (Microchip Technologies MRF24J40MB 和 Explorer 16 演示电路板 ) ZigBee 无线电模块 / 测试电路板与 MDO4000C 系 列混合域示波器之间的测试连接。 集成的射频测试验证 一旦选择了无线实现方式,进行了相应的 PCB 布线, 编写了必要的软件,那么需要进行大量的测试,以保证 良好的通信: 对许多应用来说,无线系统与产品其它部分之间要进行 串行通信。例如,Microchip IC 和模块采用 4 线 SPI 连接, 控制射频 IC 和相关组件,如功放。需要使用 SPI 命令, 设置内部寄存器,选择频率信道、输出功率电平及许多 其它工作参数。SPI 还用来控制通用端口引脚,这些引 脚控制着功放器或其它器件。SPI 还用来把数据包发送 到 IC 或模块,发送命令传送数据包。接收机数据也通 过 SPI 总线返回。 微控制器中的软件 ( 不管是集成还是分开 ) 需要提供更 高级的协议 (ZigBee 或其它协议 ),及控制无线系统的 供电,运行产品的其它方面。在许多应用中,无线传输 的定时至关重要,以便产品的某个其它部分正在工作, 消耗电源电压时,射频电路不会发射信号。 为了说明验证射频工作所要完成的一些测试,我们使用 带有 Explorere 16 演示电路板的 Microchip Technologies IEEE 802.15.4 放大无线模块 (MRF24J40MB)。这 些屏幕显示是使用泰克 MDO4000C 系列多域示波器获 得的,可以以时间相关的方式同时查看 RF 信号、模拟 信号和数字信号。设置和数据命令从 PC 发送,允许手 动控制。图 3 显示了测试设置。注意我们直接连接到射 频部分,方便电源测量和其它测量。同样,可以使用校 准后的天线,进行 RF 测量。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 23 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 时域画面 总功率和占用带宽 频谱时间 频域画面 图 4. 时域画面和频域画面。橙色条表示频域画面相对于时域测量的频谱时间。 验证射频工作的一些关键测试有: RF 测量和电源测量 - 泰克 MDO4000C 系列混合域示 波器的独特之处在于,它允许同时查看射频频谱和电 源,如图 4 所示。 IEEE 802.15.4 ( 包括 ZigBee) 的信道间隔为 5 MHz。 20 dB 信道带宽应明显低于信道间隔。如图所示,测 得的占用带宽是 2.3 MHz。输出功率约为预计的 20 dBm。屏幕下半部分显示了输出频谱,屏幕上显示了 带宽和功率的直接测量结果。测试电缆在这个频率范围 内损耗约 2 dB,因此功率测量位于预计范围内。 屏幕上半部分底部的橙色条表明了显示频谱曲线的时间 周期。频谱时间是窗函数因数除以分辨率带宽。在本例 中,我们使用默认的 Kaiser FFT 函数 ( 因数为 2.23), RBW 为 11 kHz,则频谱时间约为 200 us。在时域窗口 中移动频谱条,可以在数据包传输期间观察和测量数据。 只有在启动无线数据包发射之后,这一采集才是相关的。 泰克 MDO4000C 系列示波器 RF 采集可以测量 RF 信号 的功率和占用带宽。由于它还捕获了 RF 采集的时间记 录,因此可以使用数字下变频生成 I ( 实数 ) 和 Q ( 虚数 ) 数据。每个 I 和 Q 数据样点表示当前中心频率 RF 输入 的瞬时偏差。通过这一分析,可以从记录的数据中计算 出 RF 幅度随时间的变化。 24 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 集成 ZigBee 的射频实现与测试 吸收电流随时间变化 RF 幅度随时间变化曲线 应用文章 漏极电压随时间变化 频谱时间 图 5. 功率和占用带宽测量,相关的 RF 幅度随时间变化,电源电流和漏极电压测量。 图 5 在图 4 画面中增加了 RF 幅度随时间变化曲线。这 演示了图 5 显示的电流和电压测量与启动 RF 发射相关。 绿色轨迹 ( 轨迹 4) 显示了模块消耗的电流。在数据包 传输过程中,消耗的电流约为 200 mA ( 注意测量值为 174 mA), 因此电源必须设计成支持这一负荷。黄色 轨迹 ( 轨迹 1) 显示了消耗这一电流对供电电压的影响。 电压暂降仅约为 70 mV, ( 注意测量值为 72 mV)。 屏幕上半部分橙色条 ( 轨迹 A) 显示了 RF 信号幅度随时 间变化。输入电流分两步上升。首先,启动射频 IC。 延迟让频率合成器稳定,然后启动功放。RF 功率上升 与电流阶跃的第二部分一致。启动周期约为 100 us。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 25 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 供电电压暂降提高 噪声略微提高 图 6. 频谱及其它测量,电阻与模块电源串联,研究低功率性能特点。 在图 6 中,1.5 欧姆电阻与模块串联,以仿真电池耗尽 时的影响。模块消耗的电流只低几毫安,但电压降约 230 mV。注意测量的 RF 功率输出功率下降了 1 dB, 从频谱画面中可以看到,邻道噪声略微提高。在幅度随 时间变化轨迹 ( 轨迹 A) 中还可以看到较低的输出。通 常必需了解电池电量不足或在电源限流期间无线发射机 的性能,以了解射频的一致性性能余量。 26 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 集成 ZigBee 的射频实现与测试 数字 SPI 总线解码 SPI 总线的逻辑线路 应用文章 图 7. 画面中增加 SPI 数字信号 (SPI - MOSI 和 MISO) 的数据包解码。 数字命令-设置射频 IC 和模块,以满足特定应用和任 何特定协议设置的工作要求。MDO 可以解码 SPI 命令。 图 7 显示了与图 4 相同时间段内 SPI 命令的数字捕获 结果。虽然进行了解码,但在这个时间刻度中不可读。 在图 7 中,用轨迹 4 的消耗电流在 130mA 电平以上触 发来采集模拟、数字和 RF 信号。时域部分中心左面显 示了 RF 启动时电流超过这一电平之前的事件,包括数 字解码、模拟 ( 电压和电流 ) 和 RF 对时间的轨迹。从 这些信息中可以很容易看到,数字命令发生在 RF 事件 启动前大约 600 微秒时。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 27 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 放大画面可以观察 SPI 总线解码 图 8. 数字曲线和解码的放大视图。注意频谱时间现在观察传输启动前的 RF 频谱。 紫色轨迹显示时域中解码后的数据。在图 8 中,我们 使用 MDO 波形导航和缩放功能,读取数字波形和解码 后的数据。 机中的数据包,我们已经确定其发生在大约 600 us 后。 图中显示了数字波形,但自动解码读起来要比数字信号 容易得多。 SPI(MOSI) 轨迹以十六进制格式显示到模块的命令。在 本例中,命令 {37} 是到传送触发 (TXNMTRIG) 寄存器 的命令,参数 {01} 告诉模块以先进先出方式发送发射 可以读取或触发 SPI(MISO) 上的其它命令和数据读回, 以确认命令正确,及验证射频的工作。 28 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 集成 ZigBee 的射频实现与测试 启动延迟 应用文章 在 SPI 命令上触发 图 9. SPI 命令触发后的采集数据显示了命令与无线电启动之间的延迟。 泰克 MDO 系列混合域示波器的独特结构简化了 SPI 命 令触发和相关 RF 事件之间的测量。在图 9 中,触发事 件变成 SPI 命令 {37}: 无线发射触发命令。时域画面上 的标记显示,从 SPI 命令到消耗电流 ( 在 RF Tx 启动开 始时 ) 的时间现在为 1.768 ms。 在图 7 上面的实例中,从命令到启动的延迟约为 600 us。图 9 中的实际事件长近三倍。这演示了 ZigBee 无 线系统的特点实际上满足 IEEE 802.15.4 其中一项物理 层性能要求。ZigBee 射频在命令和启动事件之间采用 伪随机延迟,以使无线系统能够监听其它 ZigBee 无线 发射机或其它无线干扰信道。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 29 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 跨度提高到 100 MHz RBW 提高到 100 kHz 图 10. 2.45 GHz 频谱的宽扫描可以观察整个 ISM 频段的信号。 杂散信号-确认射频系统工作而没有导致干扰的杂散 信号是很关键的。图 10 显示,在 ZigBee 工作的频段 中没有明显的杂散信号。注意在这个图中,模块设置成 在 2.45 GHz 频段中心发射。这里使用 MARKER 功能 测量峰值信号。分辨率带宽现在设置为 100 kHz,频谱 时间现在降低到仅高于 20us。 30 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 集成 ZigBee 的射频实现与测试 应用文章 二阶谐波上的功率 >-35dBm 图 11. 与前面实例相同的启动条件下,触发二阶谐波 4.9 MHz 时的时间相关扫描。 查找频谱其它成分的信号也非常重要。图 11 显示了发 射信号的二次谐波的频率范围,与 RF 发射启动过程中 消耗电流的触发电平相关。注意,在二次谐波上只有一 个小信号,在其它频率上没有明显的信号。M A R K E R 上 二 次 谐 波 信 号 约 比 基 波 低 35 dB, 基 波 完 全 落 在 FCC 规定范围内。MDO 的频谱分析仪可以快速扫描很 宽的频率范围,以确信没有不想要的杂散信号。对射频 认证和一致性测试,满足认证要求的全面扫描需要使用 频率更高的频谱分析仪,而使用 MDO 可以发现许多可 能最麻烦的杂散信号,从而降低射频一致性测试的风 险。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 31 应用文章 集成 ZigBee 的射频实现与测试 图 12. 显示了无线局域网干扰信号,评估互操作测试期间的影响。 干扰- MDO 还可以与天线一起使用,检查可能对被触 发的射频产生干扰的其它射频来源。图 12 使用一个参 考天线,查找可能的射频干扰源。注意存在一个大约 以 2.46 MHz 为中心的宽带信号。这是同一座大楼中的 Wi-Fi 射频。它覆盖了 ZigBee 射频可能使用的大量信 道。在这一射频模块应用中,最好避免使用这一频率范 围的信道,因为会损害 ZigBee 射频的范围或射频完全 堵塞。MDO 为查找这些信号提供了一种快速方式。本 例中只使用频谱分析仪。可以使用 MDO 的 RF 触发功 能,迅速捕获关心的频段中的任何信号。主参考标记显 示,这是一个相当强的信号。手动标记 (a) 和 (b) 提供 了干扰源的频率范围读数。这个干扰的频率范围和功率 使 ZigBee 信道 17 到信道 19 不能用。当然,大多数协 议 ( 包括 ZigBee) 将扫描此类干扰,移动到无干扰信道 上运行。少的复杂协议可能需要手动调节工作信道。 小结 有许多选则可以实现 ZigBee 或其它 IEEE 802.15.4 无 线系统。最佳方式的选择取决于许多因素,包括开发时 间、单位成本与设计和认证成本对比、以及各种特殊要 求,如可用空间、外形和射频特殊电气要求。不管选择 哪种方法,都需要进行大量的测量,保证无线系统正确 工作。RF 测量包括检查 RF 输出频率、输出幅度、占用 带宽和杂散输出。确认数据包定时、耗电量和任何电源 噪声也非常重要。此外,非常重要的一点是确认为无线 系统设置了正确的数字配置信息、正在接收正确的数据。 泰克 MDO4000C 系列混合域示波器可以用来监测和验 证高达 6 GHz 频率的 RF 工作,提供了 4 条带宽高达 1 GHz 的模拟通道以及 16 条数字信道,这些信道均时间 相关。您可以使用一台仪器支持所有的功能,包括多种 串行协议 ( 如 SPI 和 RS232)。所有这些信号的时间相 关性测量是很有价值的,它可以节约调试时间。 泰克 MDO 外观紧凑,便于携带,可以用于任何现场测试。 它还提供了统一易用的界面,可以对多种信号执行复杂 的测试。 32 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO 混合域示波器 在物联网设计、研发与培训中的应用 随着现代传感器技术和无线通信技术的发展,物联网 已经开始进入人们的日常生活。以 RFID、ZigBee 技 术和 NFC 近场通信等技术为代表的物联网应用,正在 成为众多企业、高校研发和创新的方向。其中一个最 重要的因素是如何测量系统中时间相关的时域和频域 信号。 物联网行业的发展趋势与设计挑战 随着现代传感器技术和无线通信技术的发展,物联网 已经开始进入人们的日常生活。以 RFID、ZigBee 技 术和 NFC 近场通信等技术为代表的物联网应用,正在 成为众多企业、高校研发和创新的方向。虽然针对这 些技术,半导体厂商提供了各种专用芯片,甚至是集 成度很高的解决方案,但在设计一个实际的物联网设 备时,工程师仍然面临着很多挑战。其中一个最重要 的因素是如何测量系统中时间相关的时域和频域信号。 RFID 和 ZigBee 技术中应用到的 RF 信号虽然不是十 分复杂,但信号的质量、功率和时序关系决定着系统 能否正常工作。而这些 RF 参数本身不仅和射频发射 / 接收电路有关,还受到基带电路和控制电路的影响。 内部寄存器的读写、电源的工况甚至是系统延迟时间 的大小,都会决定整个系统的工作状态。传统的示波 器或频谱分析仪是无法完成这种时间相关的时域和频 域信号综合调试工作的。 MDO 混合域示波器的创新设计理念 泰克 MDO4000C 系列混合域示波器独特的创新理念, 为调试跨域的时频相关的系统提供了独一无二的工具。 MDO4000C 在一台全功能的混合信号示波器的基础 上,增加了一台 3GHz 或 6GHz 的频谱分析仪,可以 完成普通频谱分析仪的各种频域测量功能。完全独立 的示波器时域采集系统和频谱分析仪频域采集系统, 既可以独立工作,也可以通过触发协同工作。通过移 动频谱时间,用户可以在示波器采集到的时间窗口内, 观测在射频通道采集到的任何一点的 RF 信号的频谱情 况。MDO 还提供了 RF 信号的幅度、频率和相位相对 于时间变化的调制域分析功能。这些独有的功能帮助 用户测量 RF 信号的各种调制信息。使用频谱分析仪的 工程师经常面临的一个问题是如何准确地触发并捕获 到关心的 RF 信号。由于传统的频谱分析仪触发功能很 有限,用户很难做到这一点。MDO4000C 不但可以通 过 RF 信号的各种特征进行触发,还可以使用示波器的 触发系统,通过基带或控制信号完成 RF 信号的触发采 集,这种功能极大地降低了调制物联网设备的难度。 图1. MDO4000C 结构框图 图 2. 通过 IQ 解调后的数据,MDO4000C 可以计算得到 RF 信号的调制域波形 在调试 RFID 系统时,工程师面临的一个重要的困难是 如何测量标签的返回信号。由于标签返回信号的幅度很 小,使用普通的示波器往往难以捕获这一信号,更不 要说对其幅度和频率做进一步分析了。主要原因是普 通示波器的动态范围只有 40dB,无法捕获微弱的标签 信号。MDO4000C 具有 60dB 的动态范围,以及低至 -152dB/Hz 的底噪,能够很好地胜任同时捕获读写器 信号和标签信号的任务。其独特的 AvsT 射频信号幅度 的时域波形功能,甚至可以显示标签信号幅度变化过程。 下面我们以一个 13.56MHz 的 RFID 读写器系统为例, 介绍 MDO4000C 的跨域调试应用。( 关于 MDO4000C 在 ZigBee 系统中的应用,另有专门文章介绍 )。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 33 应用文章 MDO 混合域示波器在物联网设计、研发与培训中的应用 在 RIFD 系统研发中 MDO 混合域示波器的应用 图 3. MDO4000CRFID 读写器测试环境,图中有专用天线工装 图 5. ISO18000-3 13.56MHz RFID 空中接口时间参数规范 通过使用 MDO4000C 独特的触发功能,用户可以轻松 稳定捕获 RFID 的时域和频域信号。如图所示,由于载 波信号幅度在变化,使用传统手段很难测量出 RF 信号 从 90% 下降到 5% 的 T1 的时间长度。我们可以打开 AvsT 调制曲线,它代表了 RF 信号的幅度相对于时间 变化的轨迹。通过自动测量或手动光标测量,我们可以 轻松得到 T1 的准确时间。同理可以完成其他时间参数 的测试。 图 4. 采用 NXPCLRC632 芯片的 RFID 读写器 测试 13.56MHzRFID 读写器的 RF 信号质量 参数 13.56MHz 高频 RFID 系统是目前国内应用最为广泛, 技术较为成熟的射频识别系统。相关的国际标准对射 频发射频率、信道带宽、发射功率等参数都有明确的 要求,特别是 RF 信号的幅度 ( 功率 ) 随时间变化的情况, 标准有着严格的规定。以读写设备为例,读写设备发 出的载波信号的幅度变化时间,必须符合 ISO18000-3 标准对于 t1-t4 的时间限制。 图 6. 13.56MHzRFID PCD 到 PICC 信号的时域和 AvsT 调制 域波形 34 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 图 7. 测量 13.56MHz RFID PCD 到 PICC t4 时间 应用文章 MDO 混合域示波器在物联网设计、研发与培训中的应用 使用 ASK 调制方式的 RFID 系统是通过副载波传输数 据信息的。在上图的频谱部分,我们可以清楚地看到射 频信号的载波是 13.56MHz,副载波信号为 ±800KHz 左右。符合相关规定的要求。如果需要测量射频信号 的射频参数,如信道功率、邻道功率比或占用带宽等, 通过选择 MDO4000C 的自动测量功能,可以在屏幕中 直接显示这些测量结果。 图 8. 测量 PCD 发射信号与标签返回信号间的延迟时间 测试 PCD 到 PICC 的读写时间 图 10. 发射频点误差测量 图 9. 13.56MHz RFID 射频信号的时域波形、调制域波形与频 谱显示 另一个需要严格保证的时间是从读写器发出读卡信号后 到标签返回信号的时间。过长或过短的时间都会被认作 读写失败。使用传统仪器测量这些信号的难度很大。 MDO4000C 可以将 RF 信号的 AvsT 的轨迹完整展示的 屏幕中,用户只需用光标定位到相应位置,即可得到这 一延迟时间。 图 11. 信道功率测量 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 35 应用文章 MDO 混合域示波器在物联网设计、研发与培训中的应用 MDO 的系统级调试和分析功能 图 14. RFID 读写器功能框图 图 12. 占用带宽测量 RFID 读写器是一个包含了基带微控制器、RF 发射和 如果设计人员希望了解 RFID 系统传输的数据情况, MDO4000C 同样可以提供强有力的支持。MDO4000C 可以提供 RF 信号的 IQ 数据。将这些数据导入泰克的 RSAVu 软件后,可以完成 RFID 数据的解码、射频指 标计算等工作。如下图所示,使用 Signal Vu 软件读取 MDO4000C 提供的 .TIQ 数据,软件可以计算得出 RF 信 接收模块以及电源和控制总线的复杂的射频嵌入式系 统。 基 带 控 制 信 号 和 系 统 内 部 寄 存 器 的 状 态 直 接 影 响系统的工作状态。以我们测试的读写器为例,NXP CLRC632 读写控制芯片包含了 压控振荡器、锁相电路、 编码、解码、混频和发射 / 接收功能,芯片的工作受到 单片机芯片 STC 90c58RD+ 的控制。 号的幅度时域波形,计算得出 EVM、调制深度、调制系数、 测试系统控制信号与 TX 和 RX 信号的时序关系 频率偏差、码速率等参数。并可以将这些 RF 信号代表 的数据解码显示出来。简化了设计人员的调试难度。 图 13. Signal Vu 自动测试和解码功能 图 15. Rx 信号与射频信号的时域关系 36 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 MDO 混合域示波器在物联网设计、研发与培训中的应用 NXP CLPC632 射频芯片的相关管脚可以测量得到射频 发射的控制信号,如上图所示的 CH2 蓝色波形,我们 可以将这些控制信号与 RF 信号的时域波形,以及 RF 信号的 AvsT 波形同时测量,这样我们就可以简便地观 察到各种控制指令对射频发射的影响。 总结 MDO4000C 混合信号示波器独有的时间相关的跨越分 析功能,为以 RFID 为代表的物联网设备的研制和调试 提供了有力的工具。使用 MDO4000C 不但能够轻松测 量信号的模拟波形、频谱状况和各种频域参数,更可以 通过 AvsT、FvsT 和 ΦvsT 这些调制域轨迹,简便地验 证产品是否符合国际和行业标准的规定。更重要的是, 由于将模拟信号、数字信号和总线信号,与射频信号 在时间上关联起来,我们既可以通过这些信号时序关 系,验证系统实际工作的过程,也可以通过对总线信 号、寄存器数据的分析,查找除产生故障的原因。目 前 MDO4000C 是市场中唯一一种能够提供此类功能的 测试仪器。我们希望 MDO4000C 能够加速物联网产品 的设计,为整个产业的发展贡献力量。 图 16. 通过 SPI 总线捕获寄存器状态数据 单片机芯片与读写控制芯片之间通过 SPI 总线通信。读 写控制芯片的实际工作功能,通过更改内部寄存器的数 值加以管理。如:地址 14 的寄存器为 codercontrol 寄 存器,控制编码时钟和模式。当该寄存器的第三位至 第五位的值为 000 时,则编码速率为 848KB,当数值 为 011 时,则为一个典型的 ISO1443A 编码标准,码 速率为 106KB,数值为 100 时为 ISO1443 TYPE B 的 编码速率。这调试实战中,如果我们发现频谱副载波 信号的频率与我们设计的传输码速率不一致时,我们 可以通过捕获相应地址的 SPI 总线数据,查看相应的寄 存器的数值,确定出现此类问题的原因。Codercontrol 寄存器的 0-2 位,控制的是传输数据的编码形式。如 果在设计调试中发现有数据通信不能建立的问题,可 以检查这三位的数值,核查实际的编码形式是否正确。 “000”代表 ISO14443-B 的 NRZ 非归零编码,“001” 表示 ISO14443A 的 Miller 编码,而“110”和“111” 则表示 ISO15693 标准对应的编码形式。 典型配置: MDO4054-3 混合信号示波器 ( 如果设计 2.4G RFID 系统,建议选择 MDO4104-6) DPO4EMBD 总线分析模块 (I2C+SPI 总线 ) MDO4TRG 高级射频触发模块 专用标签天线工装 泰 克 近 场 探 头 套 件 ( 型 号:119414600,100KHz1GHz) - 6cm 环形磁场探头 - 3cm 环形磁场探头 - 1cm 环形磁场探头 - 3.5cm 球形电场探头 - 0.3cm 短杆电场探头 - 20cm 加长把手 BNC 电缆 BNC 三通适配器 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 37 应用文章 MDO 混合域示波器在物联网设计、研发与培训中的应用 MDO4000C 混合域示波器主要指标: 38 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 应用文章 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 本文将讨论怎样使用 MDO4000C 和 Signal Vu,帮助 设计工程师调试无线设计,如 WLAN 802.11a/b/g 和 GSM 应用。 引言 在把 RF 技术整合到设计中时,嵌入式设计人员发现有 许多新问题需要解决:( 系统中的蓝牙芯片是否以预期 方式发送 ) ? 802.11 芯片组在运行过程中是否正确编 程?怎样追踪发射机与接收机之间的交互过程? 在这些问题上,混合信号示波器 (MSO) 显得力不从心, 因为它只适合处理模拟信号和数字信号,而不能高效测 量 RF 信号。另一方面,频谱分析仪很难整合到处理系 统级问题的测量环境中,因为在这种环境下,与系统其 它部分 - 的时间相关性非常重要。设计人员正努力在 这种环境中设计、调试和检验系统。 泰克 MDO4000C 系列混合域示波器是一种内置频谱分 析仪的革命性示波器,它不仅仅是一种新的示波器,而 且变革了您的测试方式。它捕获时间相关的模拟信号、 数字信号和 RF 信号,系统级全面了解被测器件的特点, 一目了然地同时观测时域信息和频域信息。可以观察任 意时间点上的射频 (RF) 频谱,及其变化过程。这样一 台高度集成的示波器,可以帮助您迅速高效地解决最复 杂的设计问题。 2.4GHz ISM 频段 2.4GHz ISM 无线频段在国际上被专门分给工业、科学 和医疗中的射频 (RF) 信号使用,而不是用于通信目的。 这些频段中的应用包括射频加热处理、微波炉和医用热 疗机等。 尽管最初分配目的不同,但近年来,短距离、低功耗 通信系统在这些频道的应用正在飞速增长。无绳电话、 蓝牙设备、NFC 设备和无线计算机网络都使用 ISM 频 段。 图 1. 2.4GHz ISM 频段上的 WLAN 和蓝牙信号。 在 2.4GHz - 2.5GHz 范围内,最典型的无线技术是 WLAN 802.11a/b/g/n 和蓝牙。WLAN 信号是一种突发 脉冲信号,通常会占用最高 20MHz - 40MHz 的带宽。 蓝牙采用称为跳频的无线技术,在 79 条通道上跳频 ( 每 条通道 1 MHz;中心频率为 2402 - 2480 MHz)。信号 的瞬态特点使得传统频谱分析仪很难看到或测量这些 信号。通过提供超宽带宽,MDO4000C 可以高效捕获 WLAN 突发信号及整个蓝牙跳频频段。 在 MDO4000C 上捕获 WLAN 信号 捕获 WLAN 信号设置起来非常简单。如图 2 所示, 把一个垂直放置的 RF 天线连接到 MDO4000C 的射 频 输 入 端。 为 整 体 了 解 2.4GHz 上 的 信 号, 我 们 在 MDO4000C 上打开“RF spectrum”(RF 频谱 ),把 Center Frequency( 中心频率 ) 设置成 2.42GHz,把捕 获带宽设置成 100MHz。 如果想以预置的信号功率条件来捕获突发脉冲信号, “The RF Power Trigger”( 射频功率触发 ) 是一种非常 有用的功能。它在 3GHz 带宽范围内有效。在 WLAN 信号出现后,调节 Center Frequency( 中心频率 ),将 WLAN 信号移到频谱视图的中心。为限制 MDO4000C 上的信号,我们可以把频宽减小到 40MHz,然后打 开“The RF Power Trigger”( 射频功率触发 ),触发 WLAN 脉冲。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 39 应用文章 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 图 2. MDO4000C 无线信号测试的设置。 图 3. 第一个 WLAN 数据包的频谱。 时间相关 时间相关是 MDO4000C 的主要优势之一。 通过 MDO4000C 上的“RF vs Time Traces”(RF 对 时间曲线 ),设计工程师能够看到在一段长时间采集 的数据内部任意时点上的信号的 RF 频谱,了解频谱 怎样随时间变化。共提供了三种曲线:Amplitude vs Time( 幅度对时间 )、Frequency vs Time( 频率对时间 ) 和 Phase vs Time( 相位对时间 )。 打开“Amplitude vs Time”( 幅度对时间 ) 曲线,我们 可以观察 WLAN 信号幅度怎样随时间变化。 时域画面底部的橙色条称为“Spectrum Time”( 频谱 分析时间窗 )。通过在整个时域界面中移动“Spectrum Time”( 频谱分析时间窗 ),用户可以直观地看到采集 数据中任意点上的 RF 频谱。 例如,在图 3 中,“Amplitude vs Time”( 幅度对时 间 ) 曲线显示先后捕获了两个 WLAN 数据包 ( 脉冲 )。 “Spectrum Time”( 频谱时间 ) 位于第一个 WLAN 数 据包下面,因此频域显示了第一个 WLAN 数据包的 RF 频谱。 图 4. 弱 WLAN 信号的频谱。 在图 4 中,在“Spectrum Time”( 频谱时间 ) 移到左 面和低幅度信号 ( 在时域画面上 ) 下面时,频域画面 现在显示了另一个 WLAN 信号的对应频谱,第二个 WLAN 信号要弱得多。 用户可以使用缩放功能,更仔细地查看这个 WLAN 数 据 包, 如 图 5 所 示。 通 过 缩 放 功 能,WLAN 数 据 和 “Spectrum Time”( 频谱分析时间窗 ) 已经被放大, 可以清楚地识别 WLAN 帧头 ( 平滑部分 ) 和有效数据。 40 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 应用文章 图 5. 放大后的 WLAN 数据包。 图 6. MDO4000C 上的 Channel Power( 信道功率 ) 测量。 时间相关不仅可用于“RF vs. Time traces”(RF 对时 间曲线 ) 的分析,还适用于模拟信号 / 数字信号与 RF 信号的同步显示,这是 MDO4000C 上最独特、最强大 的功能之一。 自动频域测量 MDO4000C 在 频 域 中 提 供 了 三 种 自 动 测 量 功 能: Channel Power ( 信道功率 )、Occupied Bandwidth ( 占 用带宽 ) 和 Adjacent Channel Power Ratio( 邻道功率 比 )。 “Channel Power”( 信 道 功 率 ) 测 量 由“Channel Width”( 信道宽度 ) 确定的带宽内部信号的总功率。 “Channel Width”( 信道宽度 ) 用画面中没有阴影的部 分表示。在这一测量激活时,仪器的带宽自动设置成比 “Channel Width”( 信道宽度 ) 宽 10%,检波方式设 置成平均。 “Occupied Bandwidth”( 占用带宽 ) 测量在“Analysis Bandwidth”( 分析带宽 ) 内部指定功率百分比的带宽。 图 7. MDO4000C 上的 Occupied Bandwidth( 占用带宽 ) 测 量。 把数据导出到 Signal Vu,进一步进行分析 MDO4000C 是一种入门级频谱分析仪,没有内置数字 解调功能。但是,MDO4000C 不仅允许用户导出屏 幕截图,还可以导出捕获的完整数据。用户只需使用 USB 外部存储设备,以 TIQ 格式 (.TIQ) 保存和存储数据, 然后把文件从 MDO4000C 传送到外部 PC 上,就可以 使用 Signal Vu 软件离线分析信号。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 41 应用文章 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 Signal Vu WLAN 解决方案 Signal Vu WLAN 解 决 方 案 ( 选 项 29) 支 持 最 流 行 的 802.11 a/b/g 标 准, 甚 至 支 持 11n 标 准, 覆 盖 了 十 几 种 测 量, 如 Constellation( 星 座 图 )、EVM vs. Time(EVM 对时间 )、Power vs Time( 功率对时间 )、 EVM vs SubChannel(EVM 对 子 信 道 )、Power vs SubChannel( 功率对子信道 )、SC 星座图、Frequency Error( 频率误差 )、OFDM 平坦度、Symbol Table( 符 号 表 )、Spectrum Mask( 频 谱 模 板 )、Transmit Power( 发送功率 )。 图 8. Signal Vu 软前面板可以简便地离线访问进行设置和控 制。 Signal Vu WLAN 选项还能够自动检测 CCK 或 ODFM 调制格式和速率。这对 WLAN 设备的测试非常方便, 并且在许多综合设备的测试至关重要,因为这些综合设 备经常会遇到复杂的干扰,这就需要在混合模式操作下 来诊断。 Signal Vu 软件可以离线分析泰克实时频谱分析仪 (RTSA) 和示波器捕获的数据。该软件为用户提供了包 含在 RSA3408B 软件选项套件中相同的解调和分析功 能,从无线标准 ( 如 WLAN 802.11a/b/g/n、GSM、 WCDMA、等等 ) 直到最新的 RFID 格式和脉冲式信号 分析。设计工程师可以使用 Signal Vu 软件来分析信号, 而不必连接相应的采集硬件。 自动检测功能允许工程师放大及自动分析每个脉冲信 号,使用 Signal Vu 选择相应的格式和数据速率。用户 只需把 Signal Vu 设置成自动检测,然后把标记放在关 心的脉冲上,Signal Vu 会完成余下的工作。 我们使用 Signal Vu 分析上面捕获的两个 WLAN 数据 包。图 9 演示了 Signal Vu 怎样在多个域中分析第一个 WLAN 数据包:时域、频域和解调域。可以使用标记 把这三个域中的显示界面关联起来。 Signal Vu 自动检测第一个 WLAN 数据包,使用 OFDM (64QAM) 调制方式实现 54Mbps 的吞吐量。整个数据 包的 EVM 是 2.97%。时域波形中的标记可以与星座图 上的标记实现时间相关。 42 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 应用文章 图 8. 使用 Signal Vu 分析第一个 WLAN 数据包,调制方式: OFDM (64QAM) 图 9. 使用 Signal Vu 分析 WLAN 信号,调制方案:OFDM (16QAM) 图 9 显 示 了 第 二 个 WLAN 数 据 包 上 的 测 量。Signal Vu 成功地检测这个数据包使用不同的调制方式 OFDM (16QAM) 来实现 24Mbps 吞吐量。与第一个数据包相 比,它实现了更好的 EVM,为 2.29%。 图 10 - MDO4000C 上的 GSM900 信号频谱和频谱图。 测试 GSM 信号 下面是使用 MDO4000C 混合域示波器进行 GSM 信号 测试的另一个实例。 GSM900 信号可能会出现在 900MHz 频段周围。在图 10 中,MDO4000C 正在捕获一个以 944MHz 中心频 率的信道传送的 GSM900 信号。带宽约为 250KHz。 类似的,我们可以捕获这个 GSM900 信号,通过 USB 存储设备导出到外部 PC,然后在 Signal Vu 软件上分 析文件。 Signal Vu GSM/EDGE ( 选 项 24) 覆 盖 下 述 测 量: Modulation Accuracy ( 调制精度 )、Mean Carrier Power ( 平均载波功率 )、Power vs Time( 功率对时 间 )、Modulation Spectrum( 调制频谱 )、Switching Spectrum( 切 换 频 谱 ) 和 传 输 频 段 中 的 Spurious Signals( 杂散信号 )。 图 11 显示了在捕获的 GSM900 信号上进行的多域分 析。星座图结果告诉我们,这个信号正在使用 GMSK 调制,拥有非常好的 EVM,仅 4.35%。 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 43 应用文章 使用 MDO4000C 和 Signal Vu 测试无线设计 除 本 文 中 讨 论 的 WLAN 和 GSM 外, 还 可 以 使 用 MD04000 系列混合域示波器和 Signal Vu 离线分析软 件,以类似的方式在其它无线标准上执行测试。 结论 MDO4000C 与 Signal Vu 相结合,在无线设计测试中 提供了用途非常广泛的解决方案。MDO4000C 的时 间相关功能和超宽带技术可以简便地捕获 RF 信号。 Signal Vu 强大的离线分析功能支持多种无线标准。 与 拥 有 所 有 无 线 选 项 的 全 性 能 频 谱 分 析 仪 相 比, MDO4000C 和 Signal Vu 组合还提供了经济性优势。 图 11. 使用 Signal Vu 分析 GSM 信号。 如果您想了解 MDO4000C 系列混合域示波器和 Signal Vu 离线分析软件的定价,请就近与泰克代表处或泰克 授权分销商联系。 如果您有任何问题,请拨打 400-820-5835, 或访问:cn.tek.com。 44 http://www1.tek.com/zh/scoperevolution/ 泰克官方微信 如需所有最新配套资料 , 请立即与泰克本地代表联系 ! 或登录泰克公司中文网站 : cn.tek.com 泰克中国客户服务中心全国热线 : 400-820-5835 上海市长宁区福泉北路518号 9座5楼 邮编:200335 如需进一步信息 泰克维护着完善的由应用指南、技术简介和其它资源组成的资料 库,并不断扩大,帮助工程师走在技术发展前沿。详情请访问 www.tektronix.com.cn。 © 2016 年泰克公司版权所在地有,侵权必究。泰克产品受到已 经签发和正在申请的美国专利和国外专利保护。本文中的信息代 替所有以前出版的材料中的信息。本文中的技术数据和价格如有 变更,恕不另行通告。TEKTRONIX 和 TEK 是泰克公司的注册 商标。本文中提到的所有其它商号均为各自公司的服务标志、商 标或注册商标。

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