模擬與數字電路使用混合信號來(lái)驗證和測量

如今，無(wú)論是在計算機領(lǐng)域，通信領(lǐng)域還是消費電子領(lǐng)域，當我們隨手拿來(lái)一塊電路板時(shí)，都會(huì )發(fā)現其中所使用的器件是多種多樣的，往往是混合了模擬器件和數字器件，模擬部分包括光、聲、音、溫度、壓力等現實(shí)世界物理信號、電源信號、視頻信號、AM/FM等調制信號等，數字部分則包括單片機，微處理器，可編程邏輯器件，DSP等，而象ADC，DAC,某些單片機等則集模擬信號和數字信號于一個(gè)器件上。這樣的混合結構給我們的設計帶來(lái)了強大的靈活性，但同時(shí)也給調試和測試帶來(lái)了復雜性：

１、模擬信號的測試和驗證需要仍然存在，但同時(shí)存在很多路的數字信號需要進(jìn)行同時(shí)顯示，驗證和測試，尤其是需要驗證控制信號有無(wú)在正確的時(shí)間，正確的控制相關(guān)的信號。

２、孤立信號越來(lái)越少，多路信號的關(guān)聯(lián)性調試和驗證在很多情況下是必須的，而模擬信號的速度往往低于數字信號，要求儀器在捕獲一個(gè)慢信號完整周期的同時(shí)，還能支持很高的采樣率，這就要求儀器有很深的存儲深度和很多個(gè)通道，價(jià)位還可要可以被接受。

３、高速數字信號本身呈現模擬特征（如過(guò)沖、振鈴等），需要進(jìn)行信號完整性測試。

４、不同器件或芯片間的通信大量使用串行總線(xiàn)，如I2C,SPI,CA

５、BGA等特殊封裝形式使得很多信號無(wú)法直接測量，可編程器件的使用使得很多關(guān)鍵信號沒(méi)有在管腳處引出。

安捷倫近年來(lái)一直致力于混合電路測試技術(shù)的研究，從而開(kāi)發(fā)了混合信號示波器，該儀器與專(zhuān)業(yè)數碼相機的功能類(lèi)似：

１、廣角鏡頭能捕獲全方位的景色，拍下突發(fā)事件時(shí)，也清楚地記錄下周?chē)宋锖铜h(huán)境?；旌闲盘柺静ㄆ鳎∕SO）可全方位捕獲模擬和數字信號多達18路和20路，判知異常信號和其他多路數字信號或模擬信號有沒(méi)有關(guān)系。

２、800萬(wàn)CCD,一次成像，不僅可記下全景，而且可以對局部細節進(jìn)行放大而不失真。對應混合信號示波器（MSO）,標準配置的快響應深存儲，可在一個(gè)屏幕上同時(shí)捕獲或顯示多達18或20個(gè)通道，對每一路的信號都是深度捕獲，存儲深度可達8MB,因此可放大幾萬(wàn)倍來(lái)觀(guān)察和分析細節。

自動(dòng)快速對焦，讓相機和所拍攝物迅速同步完成對焦。對應混合信號示波器的靈活觸發(fā)功能可以讓你把混合信號示波器（MSO)和被測對象的運行狀態(tài)同步起來(lái)，比如，可與I2C,SPI等串行總線(xiàn)的協(xié)議同步，可與SDRAM控制命令，PCI總線(xiàn)命令，LCD驅動(dòng)電路命令等同步。

下面我們來(lái)看一下混合信號示波器（MSO）到底是一種什么樣的測試儀器：

一、由于混合信號電路本身的復雜性，即使您只需要觀(guān)察一路信號的質(zhì)量，數字示波器和模擬示波器也無(wú)法完成，比如，當你需要觀(guān)察DDR SDRAM的某根數據線(xiàn)信號質(zhì)量時(shí)，眼圖分析是常用的手段，在分析時(shí)，示波器要首先和DDR SDRAM的讀寫(xiě)操作同步，根據DDR SDRAM的命令（參見(jiàn)下表），這需要占用五個(gè)通道分別連接到RAS,CAS,CS,WE,CLK信號上，同時(shí)再使用另外一個(gè)通道來(lái)觀(guān)察你所關(guān)心的數據信號眼圖，結果如下圖所示，混合信號示波器（MSO）輕松獲取DDR SDRAM的連續８個(gè)讀操作（８個(gè)眼圖），這對于普通數字存儲示波器（DSO）來(lái)說(shuō)是不可能的，因為他沒(méi)有足夠多的通道鎖定SDRAM的操作，（為讓整個(gè)顯示更加清楚，我們故意沒(méi)有顯示那５路作觸發(fā)用的信號）。

二、混合信號示波器解決的另一個(gè)難題是，數字存儲示波器（DSO）或模擬示波器，可以判別信號是否正常，卻不能告訴你信號是在什么時(shí)候變得不正常，反過(guò)來(lái)講，它不能幫助你驗證在電路特定的運作狀態(tài)下，關(guān)鍵信號的質(zhì)量是否過(guò)關(guān)，而這對混合信號示波器來(lái)講，則是再簡(jiǎn)單不過(guò)的事，如下圖所示，安捷倫的研發(fā)工程師用混合信號示波器，發(fā)現其PCI總線(xiàn)數采插卡在DMA控制器將總線(xiàn)控制權交回CPU后，內部的固化軟件偶爾會(huì )跑飛，根本原因是這時(shí)時(shí)鐘會(huì )出現不應該的幅值跌落，導致電路誤認為新的時(shí)鐘周期到來(lái)，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作，據此，工程師又進(jìn)一步發(fā)現導致該幅值跌落的原因，從而解決了問(wèn)題。使用時(shí)，只需注意把控制信號連接到邏輯通道上，根據PCI總線(xiàn)命令設定觸發(fā)條件即可。

三、上面的功能，實(shí)質(zhì)上是混合信號示波器可以與并行總線(xiàn)的控制命令相同步，混合信號示波器可以解決的第三個(gè)難題是，與串行總線(xiàn)同步，比如，I2C僅由兩根線(xiàn)（時(shí)鐘線(xiàn)SCL,數據線(xiàn)SDA）組成，如何判斷和驗證電路可以正確的完成某個(gè)地址（如0x50），讀出某個(gè)數據（如0x50），混合信號示波器（如MSO6054A）完全可以根據I2C的協(xié)議，來(lái)判斷，兩個(gè)器件是否透過(guò)I2C總線(xiàn)完成通信，對于其他總線(xiàn)，如SPI,CAN也是同樣的方法，也就是說(shuō)，混合信號示波器能先將串行總線(xiàn)的協(xié)議先解出來(lái)，然后再與之同步。

四、上面說(shuō)的是無(wú)論針對并行總線(xiàn)還是串行總線(xiàn)，混合信號示波器都可以做到與其命令或協(xié)議同步調試，混合信號示波器解決的第四個(gè)難題是對捕獲的深存儲數據的直接高清晰顯示處理，如下圖所示，脈寬調制（PWM）信號中偶爾會(huì )出現異常信號，混合信號示波器（MSO)可直接以亮點(diǎn)或其他醒目的形式將異常信號和深存儲器中其他信號直接區分開(kāi)來(lái)，即使是單次采集，也沒(méi)有問(wèn)題，而且還可以對這些異常的亮點(diǎn)進(jìn)行放大來(lái)觀(guān)察，測量和分析，如下圖，對其中一個(gè)亮點(diǎn)進(jìn)行放大后，發(fā)現該異常是正脈沖末尾處有一短暫的幅值跌落。您可具體測量該異常的時(shí)間和幅值信息。