基于混合信號(hào)示波器的混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

隨著電子產(chǎn)品的功能變得日益復(fù)雜，混合信號(hào)越來越多地出現(xiàn)在工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中。雖然混合信號(hào)可以給設(shè)計(jì)帶來靈活性，但由于模擬和數(shù)字信號(hào)有著不同的頻率和幅度特性，因而工程師調(diào)試和測(cè)試產(chǎn)品的難度也增大了。本文詳細(xì)介紹了如何利用安捷倫的混合信號(hào)示波器來完成設(shè)計(jì)調(diào)試和測(cè)試。

如今，無論是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，通信領(lǐng)域還是消費(fèi)類電子領(lǐng)域，當(dāng)你信手捻來一塊電路板時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中所使用的器件是多樣性的，往往是混合著模擬器件和數(shù)字器件，其中模擬部分包括光、聲音、溫度、壓力等現(xiàn)實(shí)世界物理信號(hào)，以及電源信號(hào)、視頻信號(hào)、AM/FM等調(diào)制信號(hào)等，而數(shù)字部分則包括單片機(jī)、微處理器、可編程邏輯器件、DSP等，而像ADC、DAC、某些單片機(jī)等則集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)于一身。這樣的混合結(jié)構(gòu)固然給我們的設(shè)計(jì)帶來了靈活性，但同時(shí)也給調(diào)試和測(cè)試帶來了復(fù)雜性。其復(fù)雜性表現(xiàn)在：

1、模擬信號(hào)的測(cè)試和驗(yàn)證需求仍然存在，但同時(shí)存在很多路數(shù)字信號(hào)需要進(jìn)行同時(shí)顯示、驗(yàn)證和測(cè)試，尤其是需要驗(yàn)證控制信號(hào)是否在正確的時(shí)間、正確地控制著相關(guān)信號(hào)。

2、孤立信號(hào)越來越少，多路信號(hào)的關(guān)聯(lián)性調(diào)試和驗(yàn)證在很多情況下是必須的，而模擬信號(hào)速度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)字信號(hào)，要求儀器在捕獲一個(gè)慢信號(hào)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(chǔ)深度和多個(gè)通道，同時(shí)價(jià)位還要能被接受。

3、高速數(shù)字信號(hào)本身呈現(xiàn)模擬特征(如過沖、振鈴等)，需要進(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試。

4、不同器件或芯片間的通信大量使用串行總線，如I2C、SPI、CAN、LIN、USB、SATA、PCI-E等，儀器要和串行通信協(xié)議同步來調(diào)試驗(yàn)證電路的需求迅速增加。

BGA等特殊封裝形式使得很多信號(hào)無法測(cè)量，可編程器件的使用使得很多關(guān)鍵信號(hào)沒有在管腳處引出。

領(lǐng)先的測(cè)試設(shè)備制造商一直致力于混合電路測(cè)試技術(shù)的研究，新開發(fā)的混合信號(hào)示波器(MSO)有助于工程師解決混合信號(hào)調(diào)試和測(cè)試方面的難題，有些用戶把這種儀器和數(shù)碼相機(jī)做了個(gè)比較，發(fā)現(xiàn)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)，也記錄下周圍的人物和環(huán)境?；旌闲盘?hào)示波器可全方位捕獲模擬和混合信號(hào)多達(dá)18路或20路，判知異常信號(hào)和其它多路數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)有沒有關(guān)系。

2、像素高，一次成像，不僅可記下全景，而且可以對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行放大而不失真?；旌闲盘?hào)示波器標(biāo)準(zhǔn)配置有快響應(yīng)深存儲(chǔ)，可在一個(gè)屏幕上同時(shí)捕獲并顯示多達(dá)18路信號(hào)或20個(gè)通道，對(duì)每一路的信號(hào)都是深度捕獲，標(biāo)配存儲(chǔ)深度為1MB～8MB，還有選件可配置為更深，能夠放大幾萬(wàn)倍來觀察和分析細(xì)節(jié)。

3、快門抓拍瞬間與所關(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(hào)示波器和被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)同步起來，比如可與I2C、SPI等串行總線協(xié)議同步，還可與SDRAM控制命令、PCI總線命令、LCD驅(qū)動(dòng)電路命令等同步。

混合信號(hào)示波器測(cè)量方案

由于混合信號(hào)電路本身的復(fù)雜性，即使您只需要觀察一路信號(hào)質(zhì)量，數(shù)字示波器和模擬示波器也無法完成，比如，當(dāng)您需要觀察DDR SDRAM的某根數(shù)據(jù)線信號(hào)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的讀寫操作同步，根據(jù)DDR SDRAM的命令(參見表1)，這需要占用5個(gè)通道分別連接到RAS,CAS,CS,WE,CLK信號(hào)上，同時(shí)再使用另外一個(gè)通道來觀察您所關(guān)心的數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖，結(jié)果如圖1所示，混合信號(hào)示波器可輕松獲取DDR SDRAM的連續(xù)8個(gè)讀操作(即8個(gè)眼圖)。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)或模擬示波器可以判別信號(hào)是否正常，卻不能告訴你信號(hào)是在什么時(shí)候變得不正常的，也就是說，它不能幫助你驗(yàn)證在電路特定的運(yùn)作狀態(tài)下，關(guān)鍵信號(hào)的質(zhì)量是否過關(guān)，而這對(duì)于混合信號(hào)示波器來說卻是很簡(jiǎn)單的事情。如圖2所示，工程師用混合信號(hào)示波器可以發(fā)現(xiàn)PCI總線數(shù)采插卡在DMA控制器將總線控制權(quán)交回CPU后，采插內(nèi)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(xiàn)不應(yīng)該的幅值跌落，導(dǎo)致電路誤認(rèn)為新的時(shí)鐘周期到來，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作，據(jù)此工程師又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該幅值跌落的原因，從而解決了這個(gè)問題。使用時(shí)，只需注意把控制信號(hào)連接到邏輯通道上，根據(jù)PCI總線命令設(shè)定觸發(fā)條件即可。

上面的功能實(shí)質(zhì)上是混合信號(hào)示波器可以與并行總線的控制命令同步，混合信號(hào)示波器可以解決的第三個(gè)難題是與串行總線同步。比如，I2C總線僅由兩根線(時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)組成，如何判斷和驗(yàn)證電路是否能正確完成向某個(gè)地址(如0x50)讀出某個(gè)數(shù)據(jù)(如0x07)呢?混合信號(hào)示波器可根據(jù)I2C協(xié)議來判斷兩個(gè)器件是否通過I2C總線完成通信，對(duì)于其它總線如SPI、CAN也是同樣方法。也就是說，混合信號(hào)示波器能夠先將串性總線的協(xié)議解出來，然后再與之同步。

混合信號(hào)示波器解決的第四個(gè)難題是對(duì)捕獲的深存儲(chǔ)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行高清晰顯示處理(圖3)。脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)中偶爾可能會(huì)出現(xiàn)異常信號(hào)，混合信號(hào)示波器可直接以亮點(diǎn)或其它醒目的形式將異常信號(hào)與深存儲(chǔ)器中其它信號(hào)直接區(qū)分開來，即使是單次采集，也沒有問題，而且還可以對(duì)這些異常的亮點(diǎn)進(jìn)行放大觀察、測(cè)量和分析。從圖4種可以看到，對(duì)其中的一個(gè)亮點(diǎn)進(jìn)行放大后，發(fā)現(xiàn)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(cè)量該異常信號(hào)的時(shí)間和幅值信息。

對(duì)于BGA等特殊封裝形式以及使用FPGA的電路，本身電路可測(cè)的管腳不是很多，18個(gè)或20個(gè)通道往往已是不錯(cuò)，而且FPGA的供應(yīng)商提供的開發(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(diào)試儀E5904B配合混合信號(hào)示波器使用，可以同時(shí)觀察FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和外圍信號(hào)的互動(dòng)情況。

目前大量使用的數(shù)字示波器大都是2通道或4通道，當(dāng)有大量數(shù)字信號(hào)需要被調(diào)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(shù)字示波器對(duì)混合信號(hào)電路的調(diào)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(zhí)行的驗(yàn)證往往牽涉到模擬信號(hào)和多路數(shù)字信號(hào)必須在某個(gè)時(shí)間段按一定時(shí)序出現(xiàn)，因此需要把示波器和邏輯分析儀器同步起來一起使用。目前的方案有：

1、在邏輯分析系統(tǒng)中允許使用示波器模塊;

2、使用時(shí)間相關(guān)夾具同步兩臺(tái)儀器，并讓其中一臺(tái)儀器的光標(biāo)移動(dòng)時(shí)，另一臺(tái)儀器的光標(biāo)也跟著移動(dòng)(即光標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能)。

與混合信號(hào)示波器方案相比，上述兩個(gè)方案都適合于可將數(shù)十路甚至上百路信號(hào)測(cè)試點(diǎn)都引出來的電路，優(yōu)點(diǎn)是邏輯分析功能非常完善和強(qiáng)大，可以做反匯編，甚至高級(jí)源代碼分析，缺點(diǎn)是只能引出十幾個(gè)被測(cè)點(diǎn)的電路，顯然有點(diǎn)大材小用，而且價(jià)格比較昂貴，使用起來較混合信號(hào)示波器復(fù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)竭壿嫹治鰞x的屏幕上和數(shù)字通道一起顯示，屏幕刷新率會(huì)很慢，如果示波器每通道有4M采樣點(diǎn)存儲(chǔ)深度，將示波器四個(gè)通道的數(shù)據(jù)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(duì)于上面舉的PCI總線數(shù)采插卡的例子，必須將示波器設(shè)置成無限余輝的方式，才能發(fā)現(xiàn)偶發(fā)的時(shí)鐘信號(hào)幅值跌落情況。若屏幕刷新率很慢，是難以解決問題的，對(duì)觀察DDR SDRAM信號(hào)眼圖也是如此。當(dāng)然，你可以讓兩臺(tái)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，但觀察多路混合信號(hào)就不太直觀，而且有的廠家的時(shí)間相關(guān)夾具不支持光標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能，使用起來就更不方便了。

混合信號(hào)示波器是根據(jù)模擬和混合信號(hào)電路的特征和測(cè)試需求研發(fā)出來的產(chǎn)品，而且其價(jià)格定位是和數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)同檔次的。在當(dāng)今電路很多測(cè)試點(diǎn)不能被觸及或引出的情況下，邏輯分析儀器沒有充分用武之地，或者只有購(gòu)買示波器的經(jīng)費(fèi)而沒有邏輯分析儀器經(jīng)費(fèi)的情況下，此時(shí)混合信號(hào)示波器不失為一很好的選擇。