用MSO測試和調試混合信號系統設計

嵌入式系統中，MCU和DSP的應用非常普遍，模擬信號和各種數字信號同時(shí)存在。傳統上，工程師分別使用示波器和邏輯分析儀來(lái)進(jìn)行測試和驗證。但由于混合信號的復雜性，要實(shí)現對各種信號的同步觸發(fā)非常困難。隨著(zhù)一種被稱(chēng)為混合信號示波器(MSO)的出現，工程師們發(fā)現嵌入式設計調試容易了很多。

MSO是一種把數字存儲示波器(DSO)的所有測量能力與邏輯分析儀的某些測量能力整合到一起的混合測試儀器，并且讓示波器和邏輯分析儀共享觸發(fā)電路，以便讓它們能同時(shí)觸發(fā)，波形被同時(shí)顯示和刷新。有了MSO，就能在同一顯示器上看到如圖1所示的在時(shí)間上對齊的多個(gè)模擬和數字波形，而且示波器通道和邏輯通道間的時(shí)延幾乎可以忽略不計(=30ps)。

圖1：安捷倫6000系列混合信號示波器。

MSO 通常缺乏專(zhuān)用邏輯分析儀的復雜分析能力(如反匯編等)和大量的邏輯通道數；MSO的相對簡(jiǎn)單性也使得它們避免了專(zhuān)用邏輯分析儀的復雜操作。事實(shí)上，MSO 的主要優(yōu)點(diǎn)之一正是它的使用模型。MSO的使用幾乎和使用示波器沒(méi)有任何區別，由于MSO 是高度集成的，它的使用要比使用兩臺獨立的儀器方案容易得多。好的 MSO 應具備友好的用戶(hù)界面，能提供快的波形更新率，儀器操作很像示波器而不是像邏輯分析儀。

嵌入式“chirp”設計

圖 2 是Solutions Cubed 公司為一項嵌入式工業(yè)應用所開(kāi)發(fā)的嵌入式“chirp”產(chǎn)品的方框圖。該混合信號嵌入式產(chǎn)品的核心是Microchip PIC18F452-I/PT微控制器，它執行內部16位的指令集。由于這種特殊的 MCU 有內部總線(xiàn)結構并包括嵌入式ADC，因此該混合信號器件及相應的外圍電路是最適合利用MSO來(lái)進(jìn)行設計和調試的對象。盡管了解這項特殊設計不一定與讀者的特定設計應用有非常密切的聯(lián)系，但我們仍將通過(guò)全面講述該系統的工作，使讀者了解MSO 如何用于這種類(lèi)型的混合信號測量應用。

這項設計的最終目標是依據各種模擬、數字和串行 I/O 輸入條件，產(chǎn)生各種長(cháng)度、形狀和幅度的“chirp”信號(該信號是包括特定周期數的RF脈沖模擬信號，在宇航M國防和汽車(chē)應用中經(jīng)常見(jiàn)到)。該MCU 同時(shí)檢測如下三種模擬和數字輸入，以確定需產(chǎn)生的輸出chirp信號的模擬特性：

圖2：依據模擬、數字和串行 I/O產(chǎn)生模擬“chirp”輸出的混合信號嵌入式設計。

1. 利用 MCU 并行數字 I/O 端口之一來(lái)監測用戶(hù)控制面板的狀態(tài)，從而確定所產(chǎn)生的輸出chirp信號的形狀(正弦波、三角波或方波)。

2. 通過(guò) MCU 上的一個(gè) ADC的輸入來(lái)監測加速度模擬輸入傳感器的輸出電平，來(lái)確定所產(chǎn)生輸出chirp信號的幅度。

3. 使用 MCU 上的專(zhuān)用 I2C 串行 I/O 端口，來(lái)監測串行 I2C 通信鏈路的狀態(tài)，從而確定輸出chirp信號中產(chǎn)生的脈沖數。這一 I2C通信輸入信號從該嵌入式設計的另一智能子系統部件中產(chǎn)生。

根據模擬、數字和串行這三個(gè)輸入狀態(tài)，MCU 向外部 8位DAC連續輸出并行信號，以產(chǎn)生各種幅度、形狀和長(cháng)度的模擬chirp信號。未經(jīng)濾波的DAC輸出階梯信號，被送入一個(gè)模擬低通濾波器，在這里對信號進(jìn)行平滑濾波并降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號引入預先確定的相移量。最后，MCU 通過(guò)另外的數字 I/O 端口產(chǎn)生并行數字輸出，來(lái)驅動(dòng)顯示系統狀態(tài)信息的 LCD 顯示器。

圖3：MSO 捕獲由 MCU 控制的 DAC的并行數字輸入和模擬輸出。

用 MSO 啟用和調試嵌入式“chirp”設計

在這項應用設計中，設計M編程 MCU 的第一步是為 MCU 的 I/O配置適當數量的模擬和數字I/O 端口。您要折衷平衡配置MicroChip公司的這種特殊微控制器中的模擬 I/O 端口和數字 I/O 端口的數量。

在嘗試編碼 MCU來(lái)監測各種輸入和產(chǎn)生規定的最終要求的輸出信號之前，我們決定首先產(chǎn)生啟用該嵌入式設計某一部分M某項功能的測試代碼，在增加交互式的復雜性之前，先驗證它的正確工作和信號完整性。所啟用和調試的第一部分電路M功能是外部的輸出 DAC和模擬濾波器。為驗證該電路和內部固件的工作是否正確，我們最初對MCU 編碼，使其產(chǎn)生固定幅度的連續和重復的正弦波，而不考慮輸入控制M狀態(tài)信號條件。

圖 3 所示為MSO的屏幕圖像，即用來(lái)捕獲驅動(dòng)外部 DAC 數字輸入的該MCU數字 I/O端口的連續數字輸出(下方的藍色跡線(xiàn))。此外我們還能看到在時(shí)間上對準的轉換器階梯波輸出(上方的黃色跡線(xiàn))和經(jīng)模擬濾波的輸出信號(中間的綠色跡線(xiàn))。這些特定信號的輸出電平較低，僅為 8位DAC(最大256級)的 4位 (16級電平)，我們能容易地在示波器上觀(guān)察該轉換器的未經(jīng)濾波的階梯波輸出特性。

圖4：利用模擬和數字碼型觸發(fā)相結合，MSO在 50%交叉點(diǎn)觸發(fā)。

當 DAC輸出到達其最高輸出電平(屏幕中央)時(shí)，我們把這一特定采集設置到觸發(fā)狀態(tài)。傳統示波器在這種指定點(diǎn)的觸發(fā)是不可能的，因為示波器觸發(fā)需要沿的跳變 —— 示波器不能在具有一定范圍的信號的“波頂”觸發(fā)。為在輸出信號的這一點(diǎn)M相位處觸發(fā)，我們設置了簡(jiǎn)單的單電平碼型觸發(fā)條件，該條件基于DAC的(MCU I/O 端口的輸出)數字輸入信號，而該信號與外部轉換器最高輸出模擬電平相一致。為在波形的某一精確點(diǎn)觸發(fā)，我們送入“HHHL LHHL”的并行二進(jìn)制碼型進(jìn)行觸發(fā)。由于該 MSO 使用“有資格的”碼型觸發(fā)，示波器始終在規定碼型的開(kāi)始處觸發(fā)，而絕不會(huì )在不穩定M跳變處觸發(fā)，因為示波器要求該邏輯電平至少穩定2ns，然后只有在送入穩定的碼型時(shí)才會(huì )觸發(fā)。注意對于某些混合信號測量解決方案M選件，只要存在規定的碼型觸發(fā)條件時(shí)就能觸發(fā)。這意味著(zhù)它們有可能在碼型的中間態(tài)，或在跳變M切換狀態(tài)進(jìn)行觸發(fā)。沒(méi)有“有資格的”碼型觸發(fā)，其結果將會(huì )是不穩定的觸發(fā)。

圖 4 顯示 MSO在DAC的 50% 輸出電平處提供精確觸發(fā)的一次觸發(fā)建立情形。實(shí)現這樣的觸發(fā)，除了模擬觸發(fā)條件外，我們還利用觸發(fā)在并行數字輸入信號上的觸發(fā)碼型。應記住并非所有 MSOM混合信號測量解決方案都允許模擬和數字觸發(fā)條件組合的混合信號觸發(fā)。但對于相同電平(50%上升電平和 50% 下降電平)的兩個(gè)模擬輸出條件，與上升或下降點(diǎn)一致的觸發(fā)要求的觸發(fā)電平比8位輸入碼型中略大一點(diǎn)。通過(guò)另外限定模擬通道 2 上的電平到“低”電平，示波器就能使用模擬和數字碼型觸發(fā)的組合，在所需要的相位上觸發(fā)(模擬信號在高于模擬觸發(fā)電平時(shí)被視為“高電平”，在低于觸發(fā)電平時(shí)被視為“低電平”)。

圖 4 中也顯示了自動(dòng)參數測量，包括與DAC 階梯波輸出相關(guān)的、經(jīng)濾波后的輸出信號的幅度、頻率和相移。

圖5：傳統示波器的邊沿觸發(fā)無(wú)法同步特定長(cháng)度的chirp。

在啟動(dòng)和驗證了外部 DAC 和模擬濾波電路正確運行后，該設計M啟動(dòng)過(guò)程的下一步是根據串行 I2C 輸入產(chǎn)生規定數量的非重復正弦波脈沖(chirp)。圖 5 顯示使用標準的示波器沿觸發(fā)，所得到的不同長(cháng)度chirp的重疊(無(wú)限余輝)。傳統示波器的沿觸發(fā)不可能實(shí)現對規定長(cháng)度chirp的觸發(fā)。

使用 MSO 的 I2C 觸發(fā)能力，示波器就能同步特定串行輸入條件下的捕獲，用來(lái)指示 MCU 產(chǎn)生規定長(cháng)度(脈沖數)的輸出chirp，如圖 6 和圖 7 所示。

圖 6 顯示了MSO利用在特定的串行地址和數據內容上的I2C 觸發(fā)來(lái)觸發(fā)只有 3 個(gè)周期長(cháng)的chirp信號的能力。而圖 7則顯示對長(cháng)度僅有 1 周期的chirp的觸發(fā)能力。數據通道 D14 和 D15(上方的兩條藍色數字跡線(xiàn))分別被定義為 I2C 時(shí)鐘和數據輸入觸發(fā)信號。實(shí)際上我們能規定16個(gè)數字通道中的任何一個(gè)以及2到4個(gè)模擬示波器通道連續觸發(fā)在這2 個(gè)串行輸入信號上。在監測串行輸入和模擬輸出信號時(shí)，D0-D7 被設置來(lái)檢測DAC 輸入(MCU 輸出)信號(下方的 8 條藍色跡線(xiàn)和讀數字跡線(xiàn))，如圖 6 和圖 7 所示。

雖然圖中沒(méi)有顯示，但我們可以根據用來(lái)確定輸出信號幅度的輸入模擬加速度傳感器的其它模擬輸入信號，把示波器的其它模擬通道設置到同步探測、采集并觸發(fā) MSO。此外，我們還能利用未使用的 MSO 數字通道，用以監測和M或進(jìn)一步實(shí)現對數控面板輸入或 LCD 輸出驅動(dòng)器信號的高質(zhì)量觸發(fā)。

圖6：用 MSO 中的 I2C 觸發(fā)一個(gè) 3 周期長(cháng)的chirp信號。圖7：用 MSO 中的 I2C 觸發(fā)僅有 1 周期長(cháng)的chirp信號。