用混合信號示波器驗證測量混合信號電路

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：

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。

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。

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。

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。 5．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。

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：

有廣角鏡頭能力，能捕獲景色，拍下突發(fā)事件時(shí)，也記錄下周?chē)娜宋锖铜h(huán)境?；旌闲盘柨刹东@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。

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。

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。

對于BGA等特殊封裝形式以及使用FPGA的電路，本身電路可測的管腳不是很多，18個(gè)或20個(gè)通道往往已是不錯，而且FPGA的供應商提供的開(kāi)發(fā)工具，往往引出的管腳也有限，若使用Xilinx公司的芯片，安捷倫FPGA調試儀E5904B配合混合信號示波器使用，可以同時(shí)觀(guān)察FPGA內部節點(diǎn)和外圍信號的互動(dòng)情況。

目前大量使用的數字 示波器大都是2通道或4通道，當有大量數字信號需要被調試時(shí)，條件好的工程師會(huì )借助于邏輯分析儀，但孤立地使用邏輯分析儀或數字示波器對混合信號電路的調試效率往往是很低的。如很多時(shí)候，電路中的關(guān)鍵握手活動(dòng)或特定任務(wù)執行的驗證往往牽涉到模擬信號和多路數字信號必須在某個(gè)時(shí)間段按一定時(shí)序出現，因此需要把示波器和邏輯分析儀器同步起來(lái)一起使用。目前的方案有：

在邏輯分析系統中允許使用示波器模塊；

使用時(shí)間相關(guān)夾具同步兩臺儀器，并讓其中一臺儀器的光標移動(dòng)時(shí)，另一臺儀器的光標也跟著(zhù)移動(dòng)（即光標聯(lián)動(dòng)功能）。

與混合信號示波器方案相比，上述兩個(gè)方案都適合于可將數十路甚至上百路信號測試點(diǎn)都引出來(lái)的電路，優(yōu)點(diǎn)是邏輯分析功能非常完善和強大，可以做反匯編，甚至源代碼分析，缺點(diǎn)是只能引出十幾個(gè)被測點(diǎn)的電路，顯然有點(diǎn)大材小用，而且價(jià)格比較昂貴，使用起來(lái)較混合信號示波器復雜。尤其是使用時(shí)間相關(guān)夾具的第二種方案，若想將示波器的數據傳輸到邏輯分析儀的屏幕上和數字通道一起顯示，屏幕刷新率會(huì )很慢，如果每通道有4M采樣點(diǎn)存儲深度，將示波器四個(gè)通道的數據傳遞到邏輯分析儀器上顯示一次可能會(huì )需要1分鐘的時(shí)間。對于上面舉的PCI總線(xiàn)數采插卡的例子，必須將示波器設置成無(wú)限余輝的方式，才能發(fā)現偶發(fā)的時(shí)鐘信號幅值跌落情況。若屏幕刷新率很慢，是難以解決問(wèn)題的，對觀(guān)察DDR SDRAM信號眼圖也是如此。當然，你可以讓兩臺儀器各自顯示各自的波形，這樣不影響示波器的波形刷新率，但觀(guān)察多路混合信號就不太直觀(guān)，而且有的廠(chǎng)家的時(shí)間相關(guān)夾具不支持光標聯(lián)動(dòng)功能，使用起來(lái)就更不方便了。

混合信號示波器是根據模擬和混合信號電路的特征和測試需求研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，而且其價(jià)格定位是和數字存儲示波器（DSO）同檔次的。在當今電路很多測試點(diǎn)不能被觸及或引出的情況下，邏輯分析儀器沒(méi)有充分用武之地，或者只有購買(mǎi)示波器的經(jīng)費而沒(méi)有邏輯分析儀器經(jīng)費的情況下，此時(shí)混合信號示波器不失為一很好的選擇。 了解更多可移步到冷熱沖擊試驗機http://www.dgkd.net