基于混合信號示波器的混合信號電路設計及調試

隨著(zhù)電子產(chǎn)品的功能變得日益復雜，混合信號越來(lái)越多地出現在工程師設計的產(chǎn)品中。雖然混合信號可以給設計帶來(lái)靈活性，但由于模擬和數字信號有著(zhù)不同的頻率和幅度特性，因而工程師調試和測試產(chǎn)品的難度也增大了。本文詳細介紹了如何利用安捷倫的混合信號示波器來(lái)完成設計調試和測試。

如今，無(wú)論是在計算機領(lǐng)域，通信領(lǐng)域還是消費類(lèi)電子領(lǐng)域，當你信手捻來(lái)一塊電路板時(shí)，就會(huì )發(fā)現其中所使用的器件是多樣性的，往往是混合著(zhù)模擬器件和數字器件，其中模擬部分包括光、聲音、溫度、壓力等現實(shí)世界物理信號，以及電源信號、視頻信號、AM/FM等調制信號等，而數字部分則包括單片機、微處理器、可編程邏輯器件、DSP等，而像ADC、DAC、某些單片機等則集模擬信號和數字信號于一身。這樣的混合結構固然給我們的設計帶來(lái)了靈活性，但同時(shí)也給調試和測試帶來(lái)了復雜性。其復雜性表現在：

1、模擬信號的測試和驗證需求仍然存在，但同時(shí)存在很多路數字信號需要進(jìn)行同時(shí)顯示、驗證和測試，尤其是需要驗證控制信號是否在正確的時(shí)間、正確地控制著(zhù)相關(guān)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，而模擬信號速度往往遠遠低于數字信號，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多個(gè)通道，同時(shí)價(jià)位還要能被接受。

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、CAN、LIN、USB、SATA、PCI-E等，儀器要和串行通信協(xié)議同步來(lái)調試驗證電路的需求迅速增加。

BGA等特殊封裝形式使得很多信號無(wú)法測量，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。

領(lǐng)先的測試設備制造商一直致力于混合電路測試技術(shù)的研究，新開(kāi)發(fā)的混合信號示波器(MSO)有助于工程師解決混合信號調試和測試方面的難題，有些用戶(hù)把這種儀器和數碼相機做了個(gè)比較，發(fā)現有很多相似之處，例如：

1、有廣角鏡頭能力，能捕獲全方位景色，拍下突發(fā)事件時(shí)，也記錄下周?chē)娜宋锖铜h(huán)境。混合信號示波器可全方位捕獲模擬和混合信號多達18路或20路，判知異常信號和其它多路數字信號或模擬信號有沒(méi)有關(guān)系。

2、像素高，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?；旌闲盘柺静ㄆ鳂藴逝渲糜锌祉憫畲鎯?，可在一個(gè)屏幕上同時(shí)捕獲并顯示多達18路信號或20個(gè)通道，對每一路的信號都是深度捕獲，標配存儲深度為1MB～8MB，還有選件可配置為更深，能夠放大幾萬(wàn)倍來(lái)觀(guān)察和分析細節。

3、快門(mén)抓拍瞬間與所關(guān)注的焦點(diǎn)同步。靈活的觸發(fā)功能可以讓您把混合信號示波器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)協(xié)議同步，還可與SDRAM控制命令、PCI總線(xiàn)命令、LCD驅動(dòng)電路命令等同步。

混合信號示波器測量方案

由于混合信號電路本身的復雜性，即使您只需要觀(guān)察一路信號質(zhì)量，數字示波器和模擬示波器也無(wú)法完成，比如，當您需要觀(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)表1)，這需要占用5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)察您所關(guān)心的數據信號眼圖，結果如圖1所示，混合信號示波器可輕松獲取DDR SDRAM的連續8個(gè)讀操作(即8個(gè)眼圖)。

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)候變得不正常的，也就是說(shuō)，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)，而這對于混合信號示波器來(lái)說(shuō)卻是很簡(jiǎn)單的事情。如圖2所示，工程師用混合信號示波器可以發(fā)現PCI總線(xiàn)數采插卡在DMA控制器將總線(xiàn)控制權交回CPU后，采插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，從而解決了這個(gè)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。

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總線(xiàn)僅由兩根線(xiàn)(時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)SDA)組成，如何判斷和驗證電路是否能正確完成向某個(gè)地址(如0x50)讀出某個(gè)數據(如0x07)呢?混合信號示波器可根據I2C協(xié)議來(lái)判斷兩個(gè)器件是否通過(guò)I2C總線(xiàn)完成通信，對于其它總線(xiàn)如SPI、CAN也是同樣方法。也就是說(shuō)，混合信號示波器能夠先將串性總線(xiàn)的協(xié)議解出來(lái)，然后再與之同步。

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直接進(jìn)行高清晰顯示處理(圖3)。脈寬調制(PWM)信號中偶爾可能會(huì )出現異常信號，混合信號示波器可直接以亮點(diǎn)或其它醒目的形式將異常信號與深存儲器中其它信號直接區分開(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)行放大觀(guān)察、測量和分析。從圖4種可以看到，對其中的一個(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，工程師然后可以具體測量該異常信號的時(shí)間和幅值信息。