詳解：如何用混合信號示波器探測模擬和數字信號

許多基于微控制器的系統都有模擬和數字信號。即使看起來(lái)是完全數字的系統也不完全是數字的，因為存在振鈴和串擾等模擬效應。因此，對系統中的信號通常需要同時(shí)持有模擬和數字的視角。這正是混合信號示波器(MSO)可以幫助到你的地方。

混合信號示波器同時(shí)具有示波器的功能和邏輯分析儀的部分功能。最常見(jiàn)的混合信號示波器配置有4個(gè)模擬通道和16個(gè)數字通道，它們最適合用于嵌入式微處理器板的查錯。

圖1所示的處理器板框圖包含諸如電源、時(shí)鐘、模數轉換器(ADC)輸入和數模轉換器(DAC)輸出等模擬信號，也有并行和串行的數字信號。并行數字信號包括CPU和GPIO接口的數字和地址線(xiàn)。以太網(wǎng)、SATA、PCIe、SPI、I2C和UART等接口則是高速和低速串行數據信號?；旌闲盘柺静ㄆ骺梢宰屇阍谀M或數字域中同時(shí)觀(guān)察這些信號。兩個(gè)域中的顯示都是時(shí)間上同步的，有助于發(fā)現問(wèn)題。通過(guò)從模擬、數字或兩者結合的觸發(fā)還有助于診斷。這些采集資源還有一整套測量與分析工具進(jìn)行補充。不管是哪個(gè)域中的數據，這些工具都可以處理。另外，可以方便地使用搜索功能定位串行或并行數字化數據圖案。

圖1：包含模擬(綠色)、數字(紅色)和串行數據(藍色)信號的嵌入式微處理器板例子?；旌闲盘柺静ㄆ魈峁┝藛闻_儀器就能測量和查錯所有這些類(lèi)型信號的方案。

比較模擬和數字

數字示波器中的模擬波形是將采集到的信號表示為一系列采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)是以示波器的采樣速率獲取的，并用示波器中的模數轉換器(ADC)位數設定的幅度分辨率進(jìn)行了數字化?，F代高頻示波器具有8位(256個(gè)等級)到12位(4096個(gè)等級)的ADC分辨率。

混合信號示波器中的數字軌跡代表一個(gè)比特，是以數字采樣率采樣的。幅度基本上從0到1變化，依據的是比預設的邏輯閾值(許多混合信號示波器為多種系列邏輯器件提供預設的邏輯電平)高還是低，它們代表了數字輸入的狀態(tài)。圖2顯示了模擬軌跡(底部)和數字軌跡(頂部)的比較。

圖2：數字軌跡(頂部)和模擬波形的比較。數字軌跡幅度用1或0表示，判斷依據是數字輸入端的電壓是高于還是低于用戶(hù)設定的邏輯閾值。模擬軌跡被分解為4096個(gè)(12位)幅度等級中的任意一個(gè)。

模擬軌跡可以顯示隨時(shí)間發(fā)生的電壓微小變化。你可以看到諸如脈沖上沖和振鈴等現象。在C1描述塊中可見(jiàn)的光標幅度讀取功能可以讀到低至mV的幅度。(在數字1描述塊中的)數字軌跡光標讀取功能則報告和1的幅度。記住，數字軌跡只顯示數字線(xiàn)的狀態(tài)，只有0和1兩個(gè)值。

當顯示多根數字線(xiàn)時(shí)，你通?？梢赃x擇用一根線(xiàn)單獨觀(guān)察、捆綁成總線(xiàn)觀(guān)察或兩種觀(guān)察同時(shí)進(jìn)行，如圖3所示。在圖3中，8根數字線(xiàn)(D0到D7)以總線(xiàn)形式被同時(shí)顯示在畫(huà)面上(底部軌跡)，它用十六進(jìn)制計數方式顯示了所有數字線(xiàn)的總值。注意，D7是最高位(MSB)，D0是最低位(LSB)。

圖3：以單線(xiàn)和總線(xiàn)形式顯示的D0至D7多根數字線(xiàn).總線(xiàn)形式顯示了十六進(jìn)制計數的所有8根線(xiàn)總數。D0是最低位，D7是最高位。典型的測量工具包括將數字線(xiàn)作為源的光標和定時(shí)參數，如圖中所示。

你可以將示波器的參數測量工具應用于任何一種信號類(lèi)型，但對數字軌跡的測量被限制為與時(shí)間相關(guān)的測量，如周期、寬度、占空比和延時(shí)。這些參數與更為常見(jiàn)的模擬波形參數一樣可以作為趨勢(按先后順序繪制參數值)、跟蹤(繪制時(shí)間上與源軌跡同步的參數值)和直方圖分析工具的依據。圖3顯示了基于所示數字線(xiàn)的8個(gè)參數(P1-P8)。

數字設計的查錯

下面的例子展示了可以用混合信號示波器實(shí)現的一些基本診斷方法。第一個(gè)案例中研究的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器，以時(shí)鐘上升沿觸發(fā)。數字線(xiàn)D0連接到觸發(fā)器的數據輸入端(D)。D1顯示的是時(shí)鐘，D2顯示的是Q輸出。與此同時(shí)，模擬通道C1、C3和C4分別連接到相同的點(diǎn)。這些波形顯示在圖4的左側。Q輸出(D2)的周期和寬度用參數P1和P2進(jìn)行測量。示波器的時(shí)基被設為采集大約5000個(gè)時(shí)鐘脈沖。

圖4：使用D2周期的蹤跡定位采集記錄中的長(cháng)周期?？s放最大周期可以方便地觀(guān)察數字和模擬軌跡中的細節。

參數統計表明，周期的平均值為208ns，最大值是416ns，這意味著(zhù)輸出沒(méi)有保持期望的周期。蹤跡F1是周期測量的軌跡，顯示在數字顯示器下方的左上側柵格中。這個(gè)軌跡顯示了作為與源軌跡在時(shí)間上同步的函數的D2周期。光標標識了蹤跡指示、并且周期值增加的點(diǎn)。所有軌跡都經(jīng)過(guò)縮放處于最大Q輸出周期的位置，縮放后的軌跡顯示在顯示器的右側。

代表錯誤時(shí)鐘觸發(fā)的數據信號的長(cháng)周期顯示在右上柵格中的數字軌跡中。軌跡Z4中也顯示了模擬軌跡C4的縮放結果。參數P3測量的是數據C1和時(shí)鐘C3之間的建立時(shí)間。統計結果再次表明，最小建立時(shí)間要比標稱(chēng)值短20%。F2中的建立時(shí)間蹤跡顯示，這個(gè)縮短的建立時(shí)間是與擴展周期同步發(fā)生的。

這是發(fā)現此類(lèi)問(wèn)題的一種方法。另外一種方法是使用被稱(chēng)為WaveScan的示波器內置搜索工具，如圖5所示。注意，大多數混合信號示波器都具有某種形式的搜索工具。

圖5：使用WaveScan并通過(guò)在D2上搜索超過(guò)標稱(chēng)208ns的周期測量值來(lái)尋找異常點(diǎn)的設置。

搜索工具可以在很長(cháng)的記錄中搜索，尋找邊沿、不穩定邊沿、超短幀、串行數據圖案、并行(總線(xiàn))數據圖案或測量數據。在本例中，我們搜索在D3上測得的超過(guò)250ns的周期。當滿(mǎn)足這種條件時(shí)，它會(huì )停止采集，顯示數字源軌跡，并對源軌跡進(jìn)行縮放。異常情況用紅色高亮顯示，測量到的異常值顯示在相鄰的表中。一旦發(fā)現問(wèn)題，模擬軌跡將被打開(kāi)，以便觀(guān)察引起問(wèn)題的物理層問(wèn)題，就像我們以前做的那樣。

混合信號示波器可以讓你觀(guān)察多達16條數字軌跡，數量要比模擬通道多。在圖6中，8條數字軌跡記錄了兩個(gè)級聯(lián)的8位移位寄存器的工作過(guò)程，這些移位寄存器是偽隨機二元序列發(fā)生器的核心電路。首先需要注意，軌跡標簽是定制過(guò)的，用于反應電路中的功能。我們能夠看到時(shí)鐘和串行數據輸入以及來(lái)自移位寄存器的A和B部分的Q6、Q7和Q8輸出。我們可以看作是從左到右經(jīng)過(guò)從串行輸入軌跡開(kāi)始的所有16級電路傳播的“長(cháng)-短”圖案(從頂部數第二個(gè))。

參數P1使用選通延時(shí)參數測量串行輸入軌跡上從觸發(fā)器開(kāi)始到圖案末端下降沿的時(shí)間。對Q6-A軌跡上的那個(gè)邊沿做類(lèi)似的測量。將參數公式用于P3計算這兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間差，結果是515.3μs。參數P4測量時(shí)鐘周期。P5中的參數公式用于將時(shí)鐘周期乘以6，以驗證從串行輸入到Q6-A的期望延時(shí)，如果是515.3μs就是正確的操作。輸出Q7-A和Q8-A表明增加了一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。通過(guò)類(lèi)似的方式還可以驗證所有16級電路的正確傳播延時(shí)。

圖6：驗證一個(gè)雙8位串行移位寄存器的正確傳播延時(shí)。

混合信號示波器的數字軌跡功能可以用來(lái)采集來(lái)自I2C、SPI和其它低頻串行標準的串行數據，如圖7所示。這里的D0包含SPI數據，D1是SPI時(shí)鐘信號。解碼器將這些波形用作源軌跡，以便解碼數據內容，并用藍色軌跡覆蓋層和隨附表格顯示出來(lái)。解碼數據可以用ASCII、二進(jìn)制或16進(jìn)制顯示。表格也列出了相對于觸發(fā)器的數據包位置，以及每個(gè)解碼出的字節的比特率。

圖7：將數字軌跡用作SPI解碼器的源。采用16進(jìn)制格式的數據內容顯示在藍色覆蓋層和隨附表格中。

總結

混合信號示波器可以向用戶(hù)提供比傳統數字示波器更多的功能。用戶(hù)可以同時(shí)觀(guān)察多達16根數字信號線(xiàn)，并且可以與多達4個(gè)模擬波形保持同步。數字軌跡可以用光標或所選的測量參數進(jìn)行測量。對數字線(xiàn)還可以應用分析功能和解碼操作。

從功能角度看，混合信號示波器中的數字狀態(tài)分析功能的建立比邏輯分析儀簡(jiǎn)單，不要求額外的平臺空間。在同一臺儀器中的模擬通道可以在遇到問(wèn)題時(shí)用于詳細的物理層分析。