LANCY0801-淺談信號測試與工作效率

 

LeColn Application Note                                                                      LANCY0801

 

主題:  淺談信號測試與工作效率-工程師基礎觀念養成                            

企劃處 2007 年 12 月 11 日

1.前言:  學習成為專業工程師

一走進實驗室，看見玲郎滿目的測試設備，工程師要花很多時間學習操作這些設備，因為 他們的工作即是要操作儀器了解產品問題與解決問題，因此新進工程師無法在短時間內進入狀 況，繁重的工作量加上工作環境中學習緩慢，往往無法順利完成工作，因此本文特別針對測試儀 器如何改善工作效率與建立專業觀念作探討。

大多數設備廠商的教育訓練要酌收訓練費，訓練時間與地點亦由廠商安排，光是這一點， 就很難呈報上頭同意教育訓練這件事，只有少部分廠商提供免費的教育訓練，時間與地點亦可由 使用單位安排，我相信很多工程師並不知道這樣的服務，請記得下次購買設備時，也要了解一下 相關服務，儀器廠商基於企業責任，應具備訓練客戶的義務，因為無論任何設備，產品持續更新 也是代表新的技術持續被開發，持續學習是工程師必然要做的事，而且工程師應建立專業的工作 環境與提高工作效率，專業的工程師才是研發團隊的靈魂。 

2.工程師的一雙眼睛-示波器(Oscilloscope)

它有很多名稱，例如數位示波器、儲存示波器、數位儲存示波器、數位螢光示波器…反正 就是將波形數位化的儀器，根據常理，您若沒有示波器可以觀察或研究波形，那可是一件非常困 難的研發工作，除非您非常有經驗或者是稱作“神”之類的工程師才辦的到。

3.首先，波形一定要呈現在畫面上(View)

想一想這個狀況，如果示波器不能觀察到電子產品的信號波形，則一定不能測量，既然是 示波器，波形應該顯示在畫面上，因為要方便觀察波形的變化，大多的使用者只在示波器上顯示 一個上昇緣或一個週期，若有異常信號可以立即的發現，因此工程師會考慮購買更新速度較快的 示波器，如此可以將更多波形顯示在畫面上，以便於觀察與了解信號的變動情形。

圖 1:  方便觀察波形的方式，很清楚看到波形的上昇緣

 

4.您覺得示波器會漏掉信號嗎?  什麼是 Dead-Time?

工程師在畫面上所看到的波形，是信號輸入示波器後，經過類比轉數位(ADC/Analog to Digital Converter)，並暫存於記憶體緩衝器(Memory)，再顯示於畫面上，然後一個接一個的波形再持 續更新到畫面上，理論上應該不會漏掉任何信號，但事實上，示波器是會漏掉信號，更新率高漏 掉的少，更新率低漏掉的多，示波器無法擷取信號的時間，稱之為無效時間(Dead Time)或者反 映時間，以現在的技術還沒有辦法排除無效時間，事實上對一般的測試並不重要，因為我們只需 要知道波形有無出現即可，如圖 2 與圖 3 表示。

圖2:假設示波器出現過數個畫面，更新率較低的示波器，漏掉較多的信號

 

圖 3:假設示波器出現過數個畫面，更新率較高的示波器，漏掉較少的信號

 

若待測信號是每一個相鄰的週期都必須要一併觀察，例如PWM 調變，或是串列數據I2C、
SPI、UART、RS232、CAN、LIN…等等，這類信號是有固定信號封包(Frame)，要進行解碼(Decode)必須將完整信號封包顯示於畫面上，對於只觀察一個上昇緣是沒有任何意義。

 

5.改變觀察波形的習慣，您可以觀察更多信號-放大(Zoom)
示波器即使有很高速的更新率，不保證一定可以擷取到信號，因為每個畫面之間都必然有一段示波器無法擷取信號的無效時間(dead time)，很高的更新率代表可以累計更多的統計次數，但不代表信號一定會在螢幕上出現，所以必須一次即擷取完整的信號，這一筆波形即是一串完整的連續波形，只要波形在畫面上出現，後續的觀察與分析就輕而易舉了。

 

例如I2C 是一筆串列數據，每一個資料封包必然是固定的格式，示波器不能只觀察到部分波形，因此工程師習慣只觀察一個上昇緣的方式在此應用下並不適當，所以須讓示波器完整擷取下完整封包(Frame)，若要觀察任一區段波形，可以用手指在原始波形上拖曳一個區間，示波器立即放大被框選的位置，並將此放大波形置於下方視窗(Grid)，因此畫面上將有原始波形與被放大之波形，移動被放大波形之水平位置可以自左側觀察至右側，尋找波形非常方便。

 

圖4:上方是原始波形，下方是放大波形，被放大區域會以明亮的顏色顯示，藉以觀察目前的位
置對應於原始波形的相對位置，以便於搜尋與發現問題波形

 

6.重要的課題-量測信號(Measurement)
工程師應該有勇於嘗試的特質，我建議工程師改變觀察波形的習慣，將數個週期同時放在螢幕上觀察，在此先比較以下三種不同觀察波形的方式，造成量測信號的差異。
A.傳統的方式:
因為要方便觀察信號，所以示波器必須清楚的觀察到波形，例如將上昇緣置於螢幕中央，然後開啟遊標(Cursor)量測上昇時間，由於工程師可自行選定區間測得波形上昇時間，不需要學習太多示波器的功能，操作簡單也很容易看懂。但是需注意這種方式會因不同工程師的主觀認定而會測出不同的結果，若有兩位以上工程師測試此信號上昇時間，很容易會測出兩種以上的數據。
此外，游標的解析度亦會影響測試結果，因為上昇時間是計算信號之振幅(Amplitude)自10%轉態至90%的時間，但是多工程師並不清楚振幅的定義，因此測試標準並不一致。

 

圖 5:信號電壓為 5V，上昇時間是 10%~90%，甲工程師使用游標自 0.483V 計算至 4.505V 是27.9ns

圖 6:信號電壓為 5V，上昇時間是 10%~90%，乙工程師使用游標自 0.522V 計算至 4.524V 是27.7ns

 

B.參數的方式:
因為要方便觀察信號，所以示波器將上昇緣置於螢幕中央，然後開啟自動參數(Parameter)量測上昇時間，示波器的參數功能按照標準計算出此波形之上昇時間，操作簡單也很容易看懂，
示波器按照定義計算上昇時間，不會因工程師主觀認定而造成測試誤差，而且示波器的定義亦不會因廠牌不同而改變，所以這個方式可以完全排除人為操作的問題。

 

採用游標的方式可以在波形上清楚標示上昇時間起始位置與結束位置，而示波器的自動參數卻沒有標示上昇時間位置，因為閱讀報告者並不一定都是工程師，所以基於測試報告的閱讀方
便性，工程師必須將示波器的畫面儲存成圖形檔，使用繪圖軟體在圖檔上標示上昇時間的起始與結束位置。

Windows 作業系統之示波器已增加參數輔助標籤，它可以清楚標示振幅位置，如此則不需要在繪圖軟體裡做編輯，我相信這個方式大大縮短測試時間，為了要更有效率，必須讓示波器擷取更多週期，則參數統計功能是必要的。

 

圖 7:開啟自動參數，可排除人為操作問題

 

圖 8:LeCroy 示波器的參數設計更貼心，增加參數輔助標籤，可以清楚觀察到波形測試的位置

 

C.統計的方式:

如前文所敘述，為了信號完整性必須一次擷取到完整波形，自動參數的統計將會計算畫面 上全部週期，而不應該只是量測其中一個週期，否則其測試結果與游標一樣只有一筆讀值。

圖 9:雖然自動參數很方便，若未開啟參數統計，其測試結果與游標一樣只有一筆讀值

圖 10:透過統計功能計算全部週期，比游標測量更方便更快，因此示波器一次擷取一筆大量數據， 自動參數即可將 117 筆上昇時間記錄於底下的參數統計，包含最後一筆值(24.323ns)、平均值

(25.60477ns)、最小值(23.282ns)、最大值(28.176ns)、標準差(1.06458ns)、次數(117)，同時 可以測量六組參數以上，大大提高效率

 

7.自動參數的定義(Parameter)

以測試信號為前提，為了改善效率與確保使用正確的參數，工程師必須清楚知道哪一個參 數才是表現這個信號的特色，因此了解每一個參數的定義，才能提供正確的測試報告。

 

顯示於示波器螢幕上的波形，是信號輸入示波器後，經過類比轉數位(ADC/Analog to Digital Converter)，並暫存於記憶體緩衝器(Memory)，再按順序將記憶體逐一顯示於畫面上， 所以由許多記憶點組合成一個波形，若將所有記憶點往左側堆疊，以電壓分佈的方式呈現在左 側，基於方波(Square wave)是基礎波形，最容易理解，因此透過它可定義所有參數。

_{通常在測試報告上會有以下十個電壓測試數據: Amplitude、PkPk、Top、Base、}Maximun、Minmun、Over+(overshoot)、Over-(undershoot)、Mean、RMS

圖 11:  電壓分佈由四個主要的參數表示，例如:最大