使用混合域示波器查找无线嵌入式系统中的噪声来源

开关电源

　　在把无线电芯片或模块集成到典型的嵌入式系统中时，设计人员必须面临的一项常见任务是追踪和消除噪声和杂散信号。潜在的噪声来源包括：开关电源、来自系统其它部分的数字噪声、以及外部噪声来源。在考虑噪声时，还应考虑无线电产生的任何可能的干扰，这是避免干扰其它无线电及满足法规要求的一项重要考虑因素。

　　查找噪声来源一直不是一件轻松的事情。但是，新增的无线技术进一步提高了嵌入式系统的复杂程度，设计人员在跟踪噪声来源方面面临着更大的障碍。我们必须面对这个现实，即无线技术无处不在。据估算，目前使用的无线设备已经超过10亿台，30%的嵌入式设计现在包括无线功能，而且这一数字每天都在持续增长。

　　在嵌入式系统中增加无线功能时，在集成中一般会遇到许多问题。对电池供电系统，一般使用开关稳压器，以最低的成本实现最高的实用效率。电源输出功率也经常是一个问题。这要求使用高开关频率，使输出滤波的规格和要求达到最小。这些电源在输出电压上通常有纹波，其可能会显示在RF发射机输出上，特别是在负荷下或在电池电量不足时。为避免这种情况，可能需要额外的电源滤波，以避免无线电信号不想要的损伤，尽管这会导致不希望的成本或功率。

　　无线电芯片或模块的硬件电路和软件配置可能会影响发送的信号质量。如果设置和过滤不当，无线电可能会给其它无线电系统带来干扰，或不能满足相应的法规标准。某些无线电系统需要信道滤波器、RF表面声波和其它成本相对较高的滤波器，以满足信道外和带外辐射的法规要求。

　　作为嵌入式设计人员首选的工具，示波器是单纯为进行时域测量而优化的。MSO (混合信号示波器)可以同时测量模拟信号和数字信号，但使用示波器很难在RF载波上有效测量RF信号。另外很难把时域和频域中的事件充分关联起来，而这对查找系统级问题至关重要。

　　尽管频谱分析仪可以在频域中进行测量，但对大多数嵌入式设计人员来说，频谱分析仪并不是首选的工具。使用频谱分析仪在系统其余地方进行时间相关测量几乎是不可能的。
　　在本文中，我们将考察使用一种称为混合域示波器或MDO的新型仪器查找噪声来源的技巧和技术。泰克最近推出了世界上第一台MDO，本文中的实例就基于MDO4000系列。该示波器拥有独特的功能，可以同时显示4个模拟信号、16个数字波形、最多4条解码的串行总线和/或并行总线及1个RF信号。所有这些信号都时间相关，显示控制信号对模拟域和RF域的影响。
　　在深入了解使用MDO的操作实例之前，我们首先回顾一下这一示波器背后的部分主要概念。混合域示波器在查找噪声来源中的主要价值，是它能够在两个域(时域和频域)中进行时间相关测量。此外，它可以在多个模拟信号、数字信号和RF信号中进行这些测量。
　　所谓时间相关，是指MDO能够测量所有输入之间的定时关系。例如，它可以测量控制信号与无线电传输之开始之间的时间，测量发送的无线电信号的上升时间，或测量无线数据流中的多个符号之间的时间。可以分析某种设备状态变化期间的电源电压暂降，并与对RF信号的影响相关。时间相关对了解整个系统操作或因果关系非常重要。
　　时域信号是最好用幅度随时间变化观察的信号，这些信号在传统上使用示波器测量。用幅度随时间变化观察信号有助于回答下面这些问题：“电源真的是DC吗？”“这个数字信号的建立时间是否充足？”“我的RF信号打开了么？”“目前正在通过这条有线总线传送哪些信息？”时域信号不限于模拟输入。观看RF幅度、频率和相位随时间变化可以研究RF信号简单的模拟调制特点、启动特点和稳定特点。
　　频域信号则是最好用幅度随频率变化观察的信号，这些信号在传统上使用频谱分析仪测量。用幅度随频率变化观察信号有助于回答下面这些问题：“发送的这个RF信号是否位于分配的频谱范围内？”“这个信号上的谐波失真是否会导致设备问题？”“这个频段中是否存在任何信号？”
　　应用实例：带有开关电源、具有无线功能的嵌入式系统
　　在下面的讨论中，被测器件将使用一块灵活的无线电集成电路，其已经集成到无线电测试模块中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。这个模块采用MRF89XA集成电路无线电及滤波和天线匹配。为进行演示，这个模块安装在Microchip Explorer 16电路板上，与电脑一起使用，对无线电设置进行编程。

　　为演示使用开关电源对无线电供电的影响，我们使用升压转换器集成电路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV评测电路板上。这个转换器以大约500 kHz频率开关，这一频率对开关稳压器十分常见。它可以提供无线电模块所需的3.3 V输出电压，支持最低0.8 V的输入电压。这意味着可以从一个电池单元为无线电供电，降低产品的电池尺寸。图1是测试设置图。

图1.被测器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz无线电)与混合域示波器之间的测试连接。