分析混合信號示波器加速復雜系統測試應用

當代電子電路設計中，特別是嵌入式電路設計，面臨很多新技術(shù)的挑戰，如：更多的總線(xiàn)應用，更高速的時(shí)鐘和數字信號，集成度更高的PCB設計，很多設計中還融入了RF功能。面對這樣的設計工作，工程師需要相應的測試手段和工具，來(lái)完成比以往更加復雜的測試任務(wù)。為了解系統的整體工作特性，工程師只有同時(shí)測量模擬、數字信號，甚至包括總線(xiàn)信號，才能了解系統故障的原因和掌握信號和指令的時(shí)序和邏輯關(guān)系。

在許多復雜的測試方案中，示波器并不能為其提供足夠的通道數量。工程師要么在實(shí)驗室中多找幾臺示波器，要么使用邏輯分析儀。但不管是哪種情況，復雜性都會(huì )明顯提高。例如數字設計中經(jīng)常遇到的建立保持違規問(wèn)題。傳統電路中的時(shí)鐘速度較低，對信號建立保持性能的余量較大。

但隨著(zhù)系統主頻的不斷增加，PCB設計的日益復雜，建立保持違規問(wèn)題越來(lái)越常見(jiàn)。檢測該問(wèn)題需要設定一個(gè)通道為時(shí)鐘信號，另一個(gè)通道為數據信號，并設定相應的時(shí)間范圍。但需要同時(shí)測量多路信號的建立保持問(wèn)題時(shí)，傳統的示波器顯然無(wú)法滿(mǎn)足，需要帶有數字邏輯通道的示波器才能完成此類(lèi)工作。混合信號示波器(MSO)同時(shí)提供了模擬通道和數字通道，為應對這類(lèi)測量挑戰提供了理想的解決方案。

羅德與施瓦茨(Rohde Schwarz)中國區示波器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理焦保春指出，由于混合信號示波器具有更多的通道和整體觸發(fā)分析功能，因此可以很好地解決上述問(wèn)題。首先混合信號示波器的通道數更多，可以同時(shí)測試多路模擬、數字和總線(xiàn)信號。其次，多路信號在總線(xiàn)上時(shí)時(shí)間相關(guān)的，且可以利用總線(xiàn)數據的特征作為觸發(fā)條件，捕獲數據指令產(chǎn)生前的系統狀態(tài)，以及數據發(fā)出后的變化情況。由于具有多通道的特性，模擬加數字加總線(xiàn)信號，工程師可以做系統級的分析和調試。

羅德與施瓦茨公司的混合信號示波器擁有杰出的技術(shù)指標和功能。其MSO的數字通道采樣率為5Gs/S，這意味可以發(fā)現更窄的毛刺，找出一些在其他示波器不能發(fā)現的高速數字異常。此外，200M的數字存儲長(cháng)度也遠高于其他競爭產(chǎn)品。擁有更長(cháng)的存儲可以使用戶(hù)在同樣的高采樣率下，捕獲更長(cháng)時(shí)間的信號，發(fā)現故障更加容易。

RTO混合信號示波器的創(chuàng )新還包括對數字通道也擁有200,000次/秒以上的波形捕獲率(模擬通道的波形捕獲率為1,000,000次/秒)。如果數字通道可以快速捕獲和顯示波形，用戶(hù)就可以輕松發(fā)現多達16條通道上偶然出現的故障，極大簡(jiǎn)化了多通道系統排障工作。另一項獨特的功能是混合信號與RF信號的相關(guān)測試，RTO示波器擁有強大的頻域分析功能，能夠完成一些通常只有頻譜分析儀才能做到的頻譜分析和頻域測量工作。

另一方面，傳統的示波器一般只有4個(gè)通道，在調試電路時(shí)會(huì )出現很多瓶頸。例如，即使調試簡(jiǎn)單的8位單片機電路，也無(wú)法時(shí)間相關(guān)地同時(shí)觀(guān)察數模轉換器的輸出和多路IO信號，如果分時(shí)測試，則對偶發(fā)故障毫無(wú)辦法;

出現故障時(shí)，要了解故障是否是在單片機或內存芯片特定時(shí)候產(chǎn)生的，因為沒(méi)有足夠的通道連到被測系統的控制信號上，無(wú)法知道故障產(chǎn)生時(shí)控制信號處于何種狀態(tài);而在使用了FPGA的電路中，不僅測試管腳多，而且其內部節點(diǎn)更多，要驗證其內部節點(diǎn)的狀態(tài)，僅使用廠(chǎng)家提供的內部邏輯分析儀或JTAG調試工具是不夠的，因為那樣無(wú)法看到信號時(shí)序信息或信號完整性問(wèn)題。

除了通道數不夠，示波器本底噪聲過(guò)大，ADC分辨率和動(dòng)態(tài)范圍不夠;高帶寬示波器往往只兼顧高速信號的測試;沒(méi)有和示波器相匹配的多通道邏輯時(shí)序測試探頭，沒(méi)有專(zhuān)用的頻譜分析儀選件以及協(xié)議分析選件等都是傳統示波器面臨的問(wèn)題。

力科公司(LeCroy)市場(chǎng)部經(jīng)理胡為東介紹說(shuō)，力科示波器集高ADC位數(12位ADC)、高動(dòng)態(tài)范圍、多達36通道的數字邏輯探頭、專(zhuān)用頻譜分析儀選件、協(xié)議分析儀選件于一身，通過(guò)LBUS接口實(shí)現多通道示波器，通過(guò)8HP鍺化硅技術(shù)實(shí)現36GHz的芯片;采用DBI數字帶寬復用專(zhuān)利技術(shù)、ChannelSync通道同步專(zhuān)利技術(shù)可實(shí)現高達65GHz和多達80個(gè)通道的精確同步;高帶寬示波器中還集成了高速信號測試接口和低速信號測試接口;集成的專(zhuān)用協(xié)議分析儀功能可實(shí)現各種低速總線(xiàn)、高速總線(xiàn)的協(xié)議層分析能力。

安捷倫科技(Agilent)示波器和數字電路測試亞太區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理杜吉偉對此亦有認同：混合信號示波器的優(yōu)勢在于具有更多的通道數，一般是在2或4個(gè)示波器通道的基礎上追加16個(gè)邏輯分析儀通道;支持混合信號觸發(fā)，可觀(guān)察模擬信號與多路數字信號之間的時(shí)序等。

泰克公司(Tektronix)大中華區分銷(xiāo)業(yè)務(wù)高級技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理鄧錦輝談到，對于嵌入式系統測試，示波器提供的功能可分成幾個(gè)階段：第一個(gè)階段是怎么保證信號從被測系統傳輸到測試儀器，這涉及探頭問(wèn)題。第二個(gè)階段是信號進(jìn)來(lái)后怎樣從所輸入的信號中發(fā)現問(wèn)題，即發(fā)現問(wèn)題。第三個(gè)階段是發(fā)現問(wèn)題后怎樣抓住定位這個(gè)問(wèn)題。第四個(gè)階段是獲取大量數據后怎樣快速找到問(wèn)題所在位置和時(shí)刻，當前時(shí)刻究竟發(fā)生了什么問(wèn)題，即搜索功能。最后是聯(lián)測跟分析功能。

當前示波器市場(chǎng)競爭非常厲害，“泰克的競爭優(yōu)勢之一是，在終端示波器市場(chǎng)以及整個(gè)示波器市場(chǎng)，探頭是做得最好的。”如果信號進(jìn)來(lái)就已經(jīng)失真了或者被干擾了，那么更好的分析功能也沒(méi)用，因此泰克花費了很多功夫來(lái)實(shí)現探頭的突破。據鄧錦輝介紹，許多競爭對手甚至做了一些適配器來(lái)配合泰克的探頭，因為他們的探頭無(wú)法做到泰克這么全面和準確。例如，過(guò)去對于無(wú)源探頭而言，電阻、電容電路無(wú)法做到很高頻寬，而泰克通過(guò)DSB的方法校正前端放大器的頻閃，將探頭的頻閃從500M提高到了1G。泰克針對不同通道數量和記錄長(cháng)度的更靈活的配置需求推出了六種帶寬為1GHz的新型號MSO/DPO4000B示波器。其中包括記錄長(cháng)度為20M的雙通道機型，以及5M記錄長(cháng)度的雙通道和四通道“精簡(jiǎn)”版機型。新產(chǎn)品在觸發(fā)、搜索和分析等重要方面毫無(wú)性能犧牲，同時(shí)還包括1GHz無(wú)源探頭。

怎樣讓調試更快速一直是終端示波器需要面對的一個(gè)難點(diǎn)，尤其怎么發(fā)現問(wèn)題，抓住問(wèn)題以及搜索這些問(wèn)題的所在點(diǎn)。“泰克提供了很多不同的手段，允許客戶(hù)自定義很多不同的觸發(fā)條件以及搜索的條件，鎖定其所關(guān)注的事情或故障的位置，我們提供的各種條件目前是最多、最全的。”鄧錦輝還表示，與高端頻譜儀的定位不同，混合域示波器(MDO)的頻譜儀定位在調測目的，其中有模擬信號、數字信號、射頻信號等來(lái)跟蹤信號的互相聯(lián)系。“MDO提供的價(jià)值在于它是一個(gè)系統的調測工具，可以同時(shí)測試16個(gè)數字通道，4個(gè)模擬通道和1個(gè)射頻通道，測試這21個(gè)通道之間在時(shí)間上的關(guān)系。”