混合信號測試解決方案

簡(jiǎn)介

        當前電子產(chǎn)品的復雜性正隨著(zhù)數字電路和串行總線(xiàn)越來(lái)越多而提高，確定最優(yōu)測試設備的邊界正變得模糊。工程師正在處理“混合信號”設計，其中包含模擬技術(shù)和數字技術(shù)的重要組合。

        設計人員日益希望可以在一臺儀器中實(shí)現模擬域和數字域時(shí)間相關(guān)的設備。傳統上，混合信號分析使用獨立式示波器和邏輯分析儀完成，這種解決方案需要兩臺設備，因此并不實(shí)用，很難獲得最佳效果。模擬波形和數字波形相關(guān)的需求導致了混合信號示波器的研制。

        示波器、混合信號示波器和邏輯分析儀之間有許多類(lèi)似之處和差別。為了更好地了解這些儀器怎樣滿(mǎn)足各自的應用需求，我們有必要更詳細地考察一下其各自的功能。

數字示波器
       
        數字示波器是世界各地電子工程師使用的首選工具。設計人員對其操作方式滿(mǎn)懷信心，并信任其測量結果。示波器的高采樣速率和帶寬使其能夠捕獲感興趣信號的高分辨率視圖。示波器為顯示和測量各類(lèi)電信號的模擬特點(diǎn)提供了理想的解決方案。示波器一般有兩條或四條輸入通道，可以對少量的模擬信號、數字信號和串行信號實(shí)現時(shí)間相關(guān)。

圖1  使用泰克TDS3000B系列示波器調試模擬信號

數字示波器應用

        數字示波器應用廣泛，包括：測量信號幅度和時(shí)序參數；測量信號邊沿和電壓，評估時(shí)序余量；測量電流；檢測瞬態(tài)問(wèn)題，如毛刺、欠幅脈沖、亞穩定跳變信號；檢定信號完整性。

圖2  泰克DPO4000系列示波器調試串行信號

邏輯分析儀

        邏輯分析儀為檢驗和調試復雜的數字電路提供了理想的工具。邏輯分析儀和示波器之間最明顯的差異是通道數量。邏輯分析儀的通道數量在34條到幾百條、甚至幾千條之間，而典型示波器只有2～4條通道。

        一個(gè)更本質(zhì)的差別是邏輯分析儀采集信號的方式不同于示波器。示波器一般使用8位模數轉換器(ADC)對信號采樣，在示波器顯示屏上真實(shí)地復現信號及其所有細微的模擬特點(diǎn)。邏輯分析儀則只是把輸入信號與用戶(hù)自定義門(mén)限進(jìn)行比較。如果信號大于門(mén)限，那么把它視為邏輯1；如果信號低于門(mén)限，那么把它視為邏輯0。由于采集方法具有本質(zhì)差別，因此同一個(gè)脈沖會(huì )以不同的方式顯示，如圖3所示。

        示波器和邏輯分析儀之間的另一個(gè)差別是觸發(fā)。示波器提供了以分離異常模擬特點(diǎn)(毛刺、欠幅脈沖、轉換速率等)為重點(diǎn)的基本觸發(fā)模式以及基本數字條件，如建立時(shí)間/保持時(shí)間違規或在兩條或四條輸入通道上定義的一個(gè)邏輯碼型。邏輯分析儀則提供了廣泛的邏輯資源，如各種字比較器、計數器和定時(shí)器，用戶(hù)可以定義復雜的多狀態(tài)IF-THEN-ELSE型觸發(fā)，在復雜的系統環(huán)境中分離問(wèn)題。邏輯分析儀還擁有全面的一系列微處理器支持套件。這些套件一般會(huì )提供硬件單元和軟件單元。硬件與前端的微處理器總線(xiàn)建立物理連接，軟件則把采集反匯編成可讀的軟件執行。

        邏輯分析儀的另一個(gè)優(yōu)勢是它能夠在一臺儀器上監測與時(shí)間相關(guān)多條系統總線(xiàn)。例如，設計人員可能想追蹤前端總線(xiàn)的軟件執行情況，同時(shí)讀寫(xiě)存儲器。邏輯分析儀的擴展能力使其成為要求廣泛的查看能力、高級觸發(fā)和軟件分析的復雜應用的理想選擇。

圖3  邏輯分析議和示波器上的波形顯示畫(huà)面

邏輯分析儀應用

        邏輯分析儀應用的應用包括：廣泛的多通道檢驗數字系統操作；需要高級多狀態(tài)觸發(fā)，分離問(wèn)題；追蹤軟件執行；系統時(shí)序驗證；系統余量測試；高速存儲器應用。

帶有示波器模塊的邏輯分析儀

        為提供真正的混合信號解決方案，業(yè)內率先進(jìn)行的嘗試是為邏輯分析儀創(chuàng )建數字示波器模塊。這些模塊直接插入邏輯分析儀中，提供示波器功能。示波器的采集與邏輯分析儀顯示屏上的數字通道實(shí)現時(shí)間相關(guān)。

        但是，這些示波器模塊有自己的局限性。由于它們是邏輯分析儀的一部分，因此其主要是單次采集設備，而不同于實(shí)時(shí)操作的獨立式示波器。它們的成本很高，缺少獨立式示波器的性能，沒(méi)有提供熟悉的示波器用戶(hù)界面。最后，由于它們集成到邏輯分析儀中，因此不適合示波器完成日常調試任務(wù)的一般用途。

圖4  泰克TLA邏輯分析議上連接的源代碼

帶有示波器模塊的邏輯分析儀應用

        應用領(lǐng)域包括：模擬和數字混合設計；模數轉換器、數模轉換器；測量數字信號質(zhì)量；模擬事件和數字事件時(shí)間相關(guān)；系統開(kāi)機特點(diǎn)。

邏輯分析儀與臺式示波器一起使用

        幾乎在每個(gè)工程設計實(shí)驗室中都能找到示波器，它們特別適合要求以高分辨率查看信號模擬特點(diǎn)的應用。在要求廣泛觀(guān)測系統總線(xiàn)活動(dòng)的應用中，示波器通常未能提供足夠的通道數量，在這種情況下通常會(huì )使用邏輯分析儀。

        在需要同時(shí)采集多條數字通道、獲得高分辨率模擬信號時(shí)，工程師該怎么做呢？當前復雜問(wèn)題的混合信號特點(diǎn)通常要求設計人員同時(shí)查看模擬信號和數字信號，這要求同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀。

        使用兩臺儀器的這種解決方案的優(yōu)勢之一是性能。隨著(zhù)設計余量下降，信號的模擬特點(diǎn)正日益影響著(zhù)設計的完整性。設計人員必需同時(shí)測量設計中高速數字信號和模擬信號的特點(diǎn)。PCI Express、HyperTransport和DDR等技術(shù)都帶來(lái)了測量挑戰?？偩€(xiàn)速度對集成示波器模塊的邏輯分析儀來(lái)說(shuō)太快了。

        但是，高性能臺式示波器為這些應用提供了理想選擇。在認識到設計人員需要把臺式示波器上采集的數據與邏輯分析儀上捕獲的數據關(guān)聯(lián)起來(lái)后，泰克研制出iView (集成式視圖)。

        iView集成、并對臺式泰克示波器和邏輯分析儀的數據自動(dòng)實(shí)現時(shí)間相關(guān)。示波器上采集的數據傳送到邏輯分析儀上，提供了時(shí)間相關(guān)顯示畫(huà)面。與前面討論的集成示波器的解決方案不同，iView可以結合使用任何泰克示波器與邏輯分析儀。這種兩臺儀器集成在一起的解決方案提供了邏輯分析儀和示波器的全部處理能力，其工作方式就像一臺儀器一樣。iView的優(yōu)勢在于把儀器的性能和價(jià)格與相應的應用對應起來(lái)。

邏輯分析儀與臺式示波器一起使用的應用

        應用包括：數字和高速信號；低速串行信號；存儲器設計和驗證；系統設計驗證；服務(wù)器設計；高速互連驗證；微處理器前端總線(xiàn)分析；圖像電路。

混合信號示波器

        示波器是絕大部分混合信號設計人員的首選工具。但是，傳統2通道和4通道數字示波器通常不足以解決當前的混合信號問(wèn)題?？匆幌履缔D換器或數模轉換器。這些設備廣泛用于各種嵌入式設備中，從MP3播放器直到汽車(chē)。如果設計人員想分析模數轉換器輸入，同時(shí)監測8位輸出，那么示波器的通道數量就會(huì )不足。我們經(jīng)常發(fā)現自己會(huì )想“如果示波器有更多的通道多好”。

        混合信號示波器(也稱(chēng)為MSO)采用與傳統示波器相同的外型和用戶(hù)界面。通過(guò)集成基本邏輯分析儀功能，示波器針對混合信號分析進(jìn)行了增強。MSO的工作方式類(lèi)似于示波器，但增加了16條數字通道。

混合信號示波器提供了您已經(jīng)知道怎樣使用的工具

        您是否經(jīng)常聽(tīng)見(jiàn)有人說(shuō)：“我已經(jīng)煩透了，我每次使用這臺設備時(shí)都要翻使用手冊”?；旌闲盘柺静ㄆ鞯墓ぷ鞣绞礁?lèi)似于示波器。但是，與示波器不同，MSO提供了16條數字通道?；旌闲盘柺静ㄆ鞯暮?jiǎn)單性和效用使其成為實(shí)驗室的理想儀器。它們使用簡(jiǎn)單，設置簡(jiǎn)便。這并不是說(shuō)MSO不能提供全面的一系列強大的功能，它們的工作方式與當前示波器類(lèi)似。Autoset等功能可以自動(dòng)定位模擬波形和數字波形，并為其設置適當的標度系數。所有菜單保持相同，但現在通道選項中增加了16條數字通道。示波器和16條數字通道的緊密集成，為嵌入式設計提供了優(yōu)秀的全內置工具。

圖5  使用一臺儀器－MSO4000系列采集的模擬波形和數字波形

圖6  MSO4000系列上同時(shí)解碼的并行和SPI串行總線(xiàn)顯示畫(huà)面

混合信號示波器讓用戶(hù)更安心

        對許多設計人員來(lái)說(shuō)，混合信號示波器提供了一種數字保險。您大可以安心，因為在您的應用需要時(shí)，您可以提供四條以上的通道。

混合信號示波器：理想的混合信號測試工具

        混合信號示波器是一種不同于任何其他儀器的工具。您可以在一臺便攜式儀器中，同時(shí)獲得一臺高性能便攜式示波器和一臺基本邏輯分析儀。模擬和數字的緊密集成，使其可以在同一臺儀器中同時(shí)顯示、觸發(fā)和分析這兩類(lèi)信號。

        與邏輯分析儀混合信號解決方案不同，混合信號示波器實(shí)時(shí)運行，可以連續更新模擬波形和數字波形。您是否經(jīng)?？吹绞褂眠壿嫹治鰞x看不到的信號？您馬上會(huì )想到要使用示波器檢驗這些信號。有了MSO，如果事件與預期不符，您可以隨時(shí)使用模擬通道查看這些事件。

        使混合信號示波器成為混合信號設計理想工具的另一個(gè)特點(diǎn)是它們能夠觸發(fā)串行總線(xiàn)。與主要重點(diǎn)是并行總線(xiàn)的邏輯分析儀不同，MSO可以觸發(fā)和解碼I2C、SPI、RS-232和CAN之類(lèi)的總線(xiàn)。這與MSO的并行總線(xiàn)觸發(fā)相結合，將使設計中的漏洞無(wú)處可逃。

混合信號示波器應用

        混合信號示波器應用非常廣泛，包括：嵌入式設計和檢驗；系統工程設計；串行調試；模數轉換器、數模轉換器調試；FPGA設計和檢驗；汽車(chē)。

為混合信號應用選擇適當的工具

        選擇適當的測試設備在很大程度上取決于應用。表1根據常見(jiàn)的用戶(hù)需求，列出了每種產(chǎn)品解決方案的主要特點(diǎn)，幫助您確定適合自己的儀器類(lèi)型。

小結

        混合信號應用的解決方案因特定應用而變化。非常重要的一點(diǎn)是分析自己的測量需求，確保選擇的解決方案足以解決問(wèn)題。每個(gè)混合信號解決方案都有類(lèi)似之處和差別及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在某些情況下，您可能會(huì )發(fā)現需要一種以上的混合信號解決方案來(lái)滿(mǎn)足需求。很好地平衡當前測量需求與測量解決方案的各種功能，將保證產(chǎn)品設計的成功。