用混合信號(hào)示波器識(shí)別建立和保持時(shí)間違規(guī)
信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于同步設(shè)計(jì),時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)間尤為重要。使用混合信號(hào)示波器,可以輕松確定多個(gè)邏輯輸入和時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系。建立和保持時(shí)間觸發(fā)器自動(dòng)確定時(shí)鐘與數(shù)據(jù)時(shí)間關(guān)系。
建立時(shí)間是指在有效時(shí)鐘邊緣發(fā)生之前,輸入數(shù)據(jù)信號(hào)保持穩(wěn)定(高或低)的時(shí)間。保持時(shí)間是指在有效時(shí)鐘邊緣發(fā)生之后,輸入數(shù)據(jù)信號(hào)保持穩(wěn)定(高或低)的時(shí)間。同步器件(如觸發(fā)器)的元件數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定了設(shè)置和保持時(shí)間。必須滿(mǎn)足設(shè)置和保持時(shí)間的要求,才能確保元件能夠正確可靠地工作。
混合信號(hào)示波器(MSO)由于能夠捕捉信號(hào)的模擬和數(shù)字表示并以時(shí)間關(guān)聯(lián)的格式顯示它們,非常適合驗(yàn)證數(shù)字信號(hào)的信號(hào)完整性和調(diào)試數(shù)字電路。本文以5系列MSO為例說(shuō)明,2、4、5和6系列MSO操作方式相同。MSO2000和MSO5000系列示波器遵循相同的原理,但用戶(hù)界面有所不同。它們都結(jié)合了專(zhuān)業(yè)級(jí)示波器的性能和邏輯分析儀的基本功能。3系列MDO、MDO3000和MDO4000系列混合域示波器也提供16通道邏輯分析儀功能。這里,MSO中提到的任何功能或能力也適用于MDO產(chǎn)品。
MSO設(shè)置
理解數(shù)字時(shí)間分辨率(數(shù)字采樣率)
一個(gè)重要的MSO采集規(guī)格是用于捕獲數(shù)字信號(hào)的時(shí)間分辨率。采樣率在不同的MSO型號(hào)之間有所不同。在進(jìn)行建立和保持時(shí)間測(cè)量時(shí),了解時(shí)間測(cè)量分辨率非常重要。
數(shù)字采樣率和記錄長(zhǎng)度
表1列出了集成電路的建立和保持時(shí)間規(guī)格,通常為幾納秒或更短。當(dāng)使用MSO的數(shù)字邏輯輸入測(cè)試它們時(shí),必須考慮邏輯輸入的時(shí)間分辨率。
圖1.使用自動(dòng)測(cè)量快速驗(yàn)證邏輯信號(hào)幅度。
設(shè)置數(shù)字閾值
混合信號(hào)示波器的數(shù)字通道像數(shù)字電路一樣,將數(shù)字信號(hào)視為邏輯高或邏輯低。這意味著只要振鈴、過(guò)沖和地彈不引起邏輯轉(zhuǎn)換,這些模擬特性對(duì)MSO來(lái)說(shuō)就不是問(wèn)題。與邏輯分析儀一樣,MSO使用用戶(hù)指定的閾值電壓來(lái)確定信號(hào)是邏輯高還是邏輯低。
MSO的模擬通道可以快速檢查數(shù)字信號(hào)的邏輯擺幅。在圖1中,示波器自動(dòng)測(cè)量數(shù)字信號(hào)的幅度約為3.6V。對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)電壓擺幅的邏輯系列,如CMOS,閾值為信號(hào)幅度的一半。然而,對(duì)于具有非對(duì)稱(chēng)電壓擺幅的邏輯系列,如TTL(晶體管-晶體管邏輯),通常需要參考組件數(shù)據(jù)表并將閾值定義為邏輯器件的最大低電平輸入電壓(TTLVIL=0.8V)和最小高電平輸入電壓(TTLVIH=2.0V)之間的中點(diǎn)(TTLV閾值=1.4V)。
圖2.在同一個(gè)TLP058數(shù)字邏輯探頭組上設(shè)置混合邏輯系列(TTL和CMOS)的閾值。
大多數(shù)泰克MSO提供每通道閾值設(shè)置,這對(duì)于調(diào)試具有混合邏輯系列的電路非常有用。圖2顯示了5系列MSO使用8通道TLP058探頭測(cè)量多個(gè)邏輯信號(hào)。TTL信號(hào)閾值設(shè)置為1.7V,3.3VCMOS信號(hào)閾值設(shè)置為1.65V,5VCMOS信號(hào)閾值設(shè)置為2.5V,從而能夠可靠地同時(shí)采集各種邏輯信號(hào)。
對(duì)于3系列MDO、MSO2000和MDO3000系列,閾值是按探頭組(一個(gè)8通道的組)調(diào)整的,因此TTL信號(hào)將在一個(gè)探頭組上,而LVPECL信號(hào)將在第二個(gè)探頭組上。
圖3.探頭顏色編碼與波形顏色編碼相匹配,使得更容易看到哪個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)哪個(gè)測(cè)試點(diǎn)。
解讀彩色編碼數(shù)字波形顯示
數(shù)字定時(shí)波形與模擬波形非常相似,只顯示邏輯高和低電平。為了簡(jiǎn)化分析,TektronixMDO/MSO示波器將邏輯低電平顯示為藍(lán)色,邏輯高電平顯示為綠色,即使過(guò)渡不可見(jiàn),也能看到邏輯值。波形標(biāo)簽的顏色還與探頭的顏色編碼相匹配,使得更容易看到哪個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)哪個(gè)測(cè)試點(diǎn),如圖3所示。
圖4.在MDO/MSO系列上的定時(shí)采集示例。定義了三條并行總線(xiàn),并利用器件的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)其進(jìn)行解碼。
數(shù)字定時(shí)波形可以組合成一個(gè)總線(xiàn)。一個(gè)數(shù)字信號(hào)被定義為最低有效位,其他數(shù)字信號(hào)代表二進(jìn)制值的其他位,直至最高有效位。然后,示波器將總線(xiàn)解碼為二進(jìn)制或十六進(jìn)制值。
圖5.模擬通道與數(shù)字通道時(shí)間對(duì)齊。
消除通道之間的時(shí)間偏移
每臺(tái)TektronixMDO或MSO系列示波器都有兼容的邏輯探頭。為了簡(jiǎn)化數(shù)字測(cè)量,示波器會(huì)補(bǔ)償邏輯探頭的傳播延遲。因此,不需要進(jìn)行數(shù)字通道探頭的相差校正。
然而,為了更好地進(jìn)行模擬和數(shù)字波形之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)測(cè)量,重要的是消除模擬到數(shù)字的時(shí)間偏移。在圖5所示的示例中,為了將模擬通道與數(shù)字通道對(duì)齊,模擬波形的2V(50%幅度)位置與在2V閾值處發(fā)生的數(shù)字信號(hào)過(guò)渡時(shí)間對(duì)齊。手動(dòng)調(diào)整相差值以將模擬通道對(duì)齊到數(shù)字通道。此相差校正過(guò)程需要對(duì)任何其他模擬通道重復(fù)進(jìn)行。
當(dāng)更換模擬探頭時(shí),應(yīng)檢查模擬通道的偏移;當(dāng)測(cè)量不同的邏輯系列時(shí),應(yīng)檢查數(shù)字閾值。配置好閾值和偏移后,示波器便可以用于驗(yàn)證和調(diào)試數(shù)字電路。
圖7.這個(gè)74HCT74觸發(fā)器看起來(lái)按預(yù)期工作。
圖6.觸發(fā)器行為示例。
觸發(fā)器時(shí)間測(cè)量
最簡(jiǎn)單的同步邏輯器件是觸發(fā)器。D輸入的邏輯狀態(tài)只有在時(shí)鐘上升沿之后(經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器傳播延遲后)才會(huì)出現(xiàn)在Q輸出上。MSO是驗(yàn)證觸發(fā)器工作狀態(tài)和調(diào)試數(shù)字電路的理想工具。
乍一看,如圖7所示,觸發(fā)器似乎按預(yù)期工作。數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘上升沿之前已經(jīng)穩(wěn)定了幾納秒,并且在時(shí)鐘邊沿之后保持穩(wěn)定了幾納秒。從時(shí)鐘邊沿到Q輸出的傳播延遲大約是6納秒。
圖8.74HCT74觸發(fā)器上的建立時(shí)間違規(guī)導(dǎo)致Q輸出未改變。
在圖8中,數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘邊沿之前僅300ps發(fā)生變化,遠(yuǎn)低于15ns的建立時(shí)間規(guī)范——這是一個(gè)建立時(shí)間違規(guī)。注意,Q輸出沒(méi)有如預(yù)期那樣改變狀態(tài)。
注意圖8中信號(hào)過(guò)渡周?chē)幕疑珔^(qū)域。MSO顯示這些區(qū)域以指示與數(shù)字采樣率相關(guān)的時(shí)間不確定性。
圖9.74HCT74觸發(fā)器上的保持時(shí)間違規(guī)導(dǎo)致Q輸出未改變。
圖9顯示了一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘邊沿后大約300ps發(fā)生變化的實(shí)例。這遠(yuǎn)低于3ns的保持時(shí)間規(guī)范——這是一個(gè)保持時(shí)間違規(guī)。再次注意,Q輸出沒(méi)有如預(yù)期那樣改變狀態(tài)。
圖10.在74LVCG74觸發(fā)器上的自動(dòng)建立和保持時(shí)間違規(guī)觸發(fā)捕獲了許多錯(cuò)誤。
捕獲建立和保持時(shí)間違規(guī)
MSO具有一種專(zhuān)門(mén)的觸發(fā)模式,旨在自動(dòng)捕獲每個(gè)建立和/或保持時(shí)間違規(guī)。建立和保持時(shí)間觸發(fā)器測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)(或某些MSO上的數(shù)據(jù)信號(hào))之間的時(shí)間關(guān)系,并在建立時(shí)間或保持時(shí)間低于規(guī)范時(shí)捕獲信號(hào)。這種功能簡(jiǎn)化了調(diào)試工作,還可以用于設(shè)計(jì)的無(wú)人值守監(jiān)控。
在查閱74LVCG74組件數(shù)據(jù)表后,將建立和保持時(shí)間觸發(fā)參數(shù)分別設(shè)置為2納秒和1納秒,以捕獲任何違規(guī)情況,如圖10所示。MSO會(huì)自動(dòng)觸發(fā)在第一個(gè)違反指定參數(shù)的輸入條件上。
圖11.脈沖寬度觸發(fā)器在74LS74觸發(fā)器的輸出上捕獲到一個(gè)窄脈沖故障。
在上一個(gè)例子中,建立和保持觸發(fā)器用于觸發(fā)觸發(fā)器的輸入。另一種方法是觸發(fā)設(shè)備輸出的信號(hào)錯(cuò)誤,并捕獲輸入信號(hào)進(jìn)行分析。
在下一個(gè)例子中,一個(gè)基于74LS74低功耗肖特基TTL技術(shù)的舊設(shè)計(jì)出現(xiàn)了間歇性錯(cuò)誤。高電平的最低輸出電壓為2.4V,因此所有高電平輸出信號(hào)應(yīng)至少達(dá)到該電壓。該設(shè)計(jì)基于20MHz時(shí)鐘(周期50ns),因此所有輸出脈沖的寬度應(yīng)至少達(dá)到這個(gè)周期的一半。
掌握這些信息后,示波器可以快速確定輸出信號(hào)是否按預(yù)期工作,并在不正常時(shí)捕獲輸入和輸出信號(hào)。圖11顯示了脈沖寬度觸發(fā)器捕獲到的一個(gè)窄脈沖故障,即脈沖寬度小于該設(shè)計(jì)預(yù)期的最小脈沖寬度的一半。
圖12.窄脈沖觸發(fā)器輕松捕獲了74LS74觸發(fā)器輸出上的低幅度窄脈沖。
不僅僅是在觸發(fā)器的輸出上出現(xiàn)了間歇性故障,一些故障還表現(xiàn)出低幅度。圖12顯示了一個(gè)窄脈沖觸發(fā)器捕獲到的低幅度脈沖,這些脈沖不符合組件的規(guī)范。
圖13.在74LVCG74觸發(fā)器上的建立時(shí)間違規(guī)觸發(fā)的光標(biāo)測(cè)量。
使用這些觸發(fā)設(shè)置中的任何一個(gè),您都可以捕獲輸入和輸出信號(hào)。圖13顯示了使用光標(biāo)進(jìn)行的建立時(shí)間測(cè)量,清晰地指示了建立時(shí)間違規(guī)(大約6ns,遠(yuǎn)低于20ns的最小值)?;旌闲盘?hào)示波器結(jié)合了基本的邏輯分析儀功能和示波器的模擬信號(hào)分析功能。
TektronixMSO和MDO系列包括建立和保持時(shí)間觸發(fā)、脈沖觸發(fā)以及高分辨率數(shù)字采樣,以便于快速數(shù)字調(diào)試。了解MSO 4B更多資料及近期優(yōu)惠活動(dòng),請(qǐng)登錄:https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/4-series-mso。
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