混合信號(hào)示波器的主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景

混合信號(hào)示波器，簡(jiǎn)稱MSO(Mixed-signaloscilloscopes)是用于邏輯分析功能的設(shè)備?；旌闲盘?hào)示波器這個(gè)稱呼沿襲了原HP(今Agilent)在1996年推出54645D時(shí)的說(shuō)法，當(dāng)時(shí)混合信號(hào)mcu正在興起，HP正是看好這個(gè)機(jī)會(huì)才推出了混合示波器，當(dāng)時(shí)HP的宣傳是，首先它是一臺(tái)示波器，其次還能添加邏輯分析功能。

?混合信號(hào)示波器(Mixed-signal oscilloscope，簡(jiǎn)稱MSO)是一種結(jié)合了數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)和邏輯分析儀功能的測(cè)試儀器?。它能夠在同一顯示屏幕上同時(shí)顯示多個(gè)時(shí)間對(duì)齊的模擬和數(shù)字波形，從而方便設(shè)計(jì)師在調(diào)試混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合分析和故障排查?12。

混合信號(hào)示波器的主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景

混合信號(hào)示波器的主要功能包括：

?模擬和數(shù)字通道的測(cè)量?：能夠同時(shí)測(cè)量和分析模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，適用于基于微控制器(MCU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的嵌入式設(shè)計(jì)。

?自動(dòng)定標(biāo)、觸發(fā)釋抑、無(wú)限余輝以及探頭/通道偏移校正?：這些功能使得混合信號(hào)示波器在測(cè)試和調(diào)試過(guò)程中更加靈活和準(zhǔn)確。

?混合信號(hào)觸發(fā)?：能夠根據(jù)模擬或數(shù)字信號(hào)觸發(fā)，幫助設(shè)計(jì)師捕捉到關(guān)鍵的信號(hào)變化，從而更好地理解系統(tǒng)的行為?23。

混合信號(hào)示波器的技術(shù)指標(biāo)

在使用混合信號(hào)示波器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)包括：

?通道數(shù)?：根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的通道數(shù)，通常需要足夠多的通道來(lái)覆蓋系統(tǒng)中的所有信號(hào)。

?帶寬和采樣率?：這些參數(shù)決定了示波器能夠測(cè)量的信號(hào)頻率范圍和精度，對(duì)于高頻率的信號(hào)測(cè)試尤為重要。

?混合信號(hào)觸發(fā)類型?：選擇合適的觸發(fā)類型可以提高測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性，常見(jiàn)的觸發(fā)類型包括邊緣觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等?2。

”今天基于微控制器(MCU)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的嵌入式設(shè)計(jì)一般都會(huì)同時(shí)帶 有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)成分。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師是用示波器和邏輯分析儀進(jìn)行測(cè)試和調(diào) 試;而現(xiàn)在，新一類測(cè)量工具——混合信號(hào)示波器(MSO)——已經(jīng)能夠提供更好的 方法來(lái)調(diào)試這些 MCU 基和 DSP 基混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。雖然 混合信號(hào)示波器MSO 在市場(chǎng)上出現(xiàn)已將近 20 年，但大多數(shù)工程師卻從未接觸過(guò)這種儀器，許 多工程師對(duì)它們的好處和使用方式存在著誤解。許多示波器廠商都推出了融有模擬和 數(shù)字時(shí)間相關(guān)測(cè)量能力的混合型時(shí)域儀器，但您一定要清楚這些儀器的差別，確切了 解它們能做什么和不能做什么。 本文首先從混合信號(hào)示波器的定義開(kāi)始，簡(jiǎn)要介紹了 MSO 所適應(yīng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域; 討論在典型的基于 MCU/DSP 設(shè)計(jì)中，為有效檢測(cè)各種模擬和數(shù)字 I/O 信號(hào)所需要的 通道數(shù)、帶寬和采樣率;還探討了為有效測(cè)試和調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)，您所要求于 MSO 的各種混合信號(hào)觸發(fā)類型;所選用的混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)例是基于 16bit 寬指令集 微控制器(Microchip PIC18)。本文還講述了使用 MSO 驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量時(shí)典型的調(diào)試 方法。

什么是混合信號(hào)示波器(MSO)?

MSO 是一種混合式測(cè)試儀器，它將數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)的所有測(cè)量能力(包括自動(dòng)定標(biāo)， 觸發(fā)釋抑，模擬和數(shù)字通道的無(wú)限余輝以及探頭 / 通道偏移校正)與邏輯分析儀的部分測(cè) 量能力集成到單臺(tái)儀器中。有了 MSO，您就能在同一個(gè)顯示器上看到如圖 1 所示在時(shí)間 上對(duì)準(zhǔn)的模擬和數(shù)字波形。雖然 MSO 可能缺少全效邏輯分析儀的許多先進(jìn)數(shù)字測(cè)量能力 和龐大的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，但對(duì)于今天的許多嵌入式設(shè)計(jì)調(diào)試應(yīng)用，MSO 仍有一些超過(guò) 傳統(tǒng)上同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

混合信號(hào)示波器MSO的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它的使用方式，其操作方法在許多方面與示波器相同。設(shè)計(jì)和測(cè) 試工程師往往會(huì)盡量避免使用邏輯分析儀——即使是在需要高效調(diào)試復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)——因?yàn)?掌握邏輯分析儀的使用方法要花費(fèi)大量時(shí)間。就算工程師了解邏輯分析儀的使用方法，對(duì) 特定測(cè)量所必須的設(shè)置也比設(shè)置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進(jìn)測(cè)量能力也增 加了復(fù)雜程度，通常會(huì)給今天的許多基于 MCU 和 DSP 設(shè)計(jì)帶來(lái)約束。

示波器是研發(fā)環(huán)境中最常用的測(cè)試儀器。所有嵌入式硬件設(shè)計(jì)師都有用示波器對(duì)混合信號(hào) 嵌入式設(shè)計(jì)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量和定時(shí)測(cè)量的基本操作知識(shí)。但對(duì)于監(jiān)視和測(cè)試多個(gè)模擬和數(shù)字 信號(hào)間的重要定時(shí)互動(dòng)，2 通道或 4 通道示波器測(cè)量一般是不夠用的。而這正是混合信號(hào)示波器MSO 的用武之地。

由于 MSO 提供“正好夠用”的邏輯分析儀測(cè)量能力，而且操作難度沒(méi)有明顯增加，因此 正是調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式屬示波器類型。事實(shí)上， 您可簡(jiǎn)單地把 MSO 看成是一種多通道示波器，其中的模擬通道提供高垂直分辨率(通常 為 8bit);附加的邏輯 / 數(shù)字通道則提供低分辨率(1bit)測(cè)量。與松散型的雙機(jī)方案不同， 高度集成的 MSO 屬混合信號(hào)測(cè)量解決方案。它更便于用戶的使用，提供快速的波形更新率， 其操作更像是一臺(tái)示波器 — 而不像邏輯分析儀。

圖 1. Keysight InfiniiVision X 系列混合信號(hào)示波器(MSO)

波形更新率是所有示波器的一項(xiàng)重要特性，它直接影響儀器的使用。速度慢和反應(yīng)遲鈍都 會(huì)影響正常使用，這對(duì)于 DSO 和 MSO 也是同樣道理。因此當(dāng)示波器廠商把邏輯采集通道 置入 DSO 構(gòu)成 MSO 時(shí)，絕不能犧牲波形更新率;否則，傳統(tǒng)示波器的使用方式將會(huì)受到 影響?；旌闲盘?hào)測(cè)量方案如果基于雙機(jī)配置，或者采用 USB 之類的外部通信總線來(lái)連接 邏輯接口就會(huì)反應(yīng)遲鈍和難以使用。而基于高度集成硬件架構(gòu)的 MSO 則有遠(yuǎn)為敏捷的響 應(yīng)，用起來(lái)也容易得多。

如欲深入了解示波器波形更新速率的重要性，請(qǐng)下載本文結(jié)尾部分列出的是德科技應(yīng)用指 南《示波器波形更新速率決定偶發(fā)事件捕獲能力》。

在購(gòu)買 MSO 之前的評(píng)估過(guò)程中，您首先要對(duì)各廠家印刷手冊(cè)和在線資料(技術(shù)概覽)中 描述的工作特性和測(cè)量性能做個(gè)比較。這對(duì)于評(píng)估儀器的可使用性和響應(yīng)能力具有一定的 參考價(jià)值;但唯一最有效的方法還是要親自上手，進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。

典型 混合信號(hào)示波器MSO測(cè)量應(yīng)用和要求的性能

雖然 MSO 是用于捕獲混合信號(hào)器件上 — 如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) — 模擬和數(shù)字信號(hào)的重要工具，但它們的主要測(cè)量應(yīng)用還包括驗(yàn)證和調(diào)試帶有嵌入地址 和數(shù)據(jù)總線的 MCU/DSP 基混合信號(hào)設(shè)計(jì)。圖 2 是具有微控制器內(nèi)核的典型混合信號(hào)嵌入 式設(shè)計(jì)的框圖。

盡管人們一般認(rèn)為微控制器和 DSP 是數(shù)字控制和處理器件，但今天絕大多數(shù) MCU 和 DSP 實(shí)際上是包含有嵌入模擬電路的混合信號(hào)器件。因此，需要檢測(cè)和驗(yàn)證系統(tǒng)中的這些 信號(hào)，例如模擬 I/O、數(shù)字并行 I/O 端口，以及 I2 C 和 SPI 這類數(shù)字串行通信總線。

注意，圖 2 中的框圖沒(méi)有示出任何地址或數(shù)據(jù)總線信號(hào)。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù) MCU 和 DSP 具有包括嵌入存儲(chǔ)器(RAM 和 ROM)的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。

由于今天的 混合信號(hào)示波器MSO 一般有 16 個(gè)數(shù)字采集通道，因此一些工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為 MSO 只能受限 于 8bit 的處理應(yīng)用(8bit 數(shù)據(jù)+ 8bit 地址 = 8 至 16 個(gè)通道)。但 MSO 主要用于檢測(cè)模 擬和數(shù)字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 設(shè)計(jì)中能夠得到的所有信號(hào)。不要嘗試把 MSO 中的數(shù)字采集通道數(shù)與基于內(nèi)部總線的 MCU 或 DSP 中的處理比特?cái)?shù)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)樗鼈?通常沒(méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系。為檢測(cè)和驗(yàn)證 8bit、16bit，有時(shí)甚至是 32bit 的 MCU/DSP 設(shè)計(jì)，16 個(gè)數(shù)字采集通道及 2 個(gè)到 4 個(gè)模擬采集和觸發(fā)通道一般是富富有余的。

檢測(cè)基于外部總線設(shè)計(jì)(例如基于 32 bit 微處理器計(jì)算機(jī))中的并行地址和數(shù)據(jù)線并非 MSO 的主要測(cè)量應(yīng)用。

圖 2. 典型 MCU 基嵌入式設(shè)計(jì)

如果需要捕獲多個(gè)地址和數(shù)據(jù)總線信號(hào)，以驗(yàn)證基于外部總線系統(tǒng)中的定時(shí)和源碼碼流， 那么具有狀態(tài)分析和反匯編能力的邏輯分析儀是更好的測(cè)量工具。但假若您同時(shí)還需要模 擬信號(hào)和或數(shù)字信號(hào)的模擬特性具有時(shí)相關(guān)性，那么多家廠商的雙機(jī)解決方案(示波器+ 邏輯分析儀)就要把示波器波形送入到具有時(shí)相關(guān)顯示的邏輯分析儀中。在您獲得這種更 高性能雙機(jī)測(cè)試解決方案的同時(shí)，也不得不接受邏輯分析儀更為復(fù)雜的操作方式，包括慢 或單次的波形更新率。

但即使是在帶有外部存儲(chǔ)器器件的 32bit 系統(tǒng)中，具有 16 個(gè)邏輯定時(shí)通道及 2 個(gè)或 4 個(gè) 模擬通道的 MSO 對(duì)于測(cè)量關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)通常也是足夠的。圖 3 是使用 MSO 在一個(gè) 32bit 系統(tǒng)中(IBM PowerPC 405 GP)驗(yàn)證高速存儲(chǔ)器器件(SDRAM)建立時(shí)間的例子。使用 MSO 的碼型觸發(fā)能力，只需 4 個(gè) MSO 數(shù)字通道就能完成對(duì)特定讀寫(xiě)指令(CS、RAS、 CAS 和 WE)的測(cè)量。再用示波器的模擬通道進(jìn)一步限定在一個(gè)高速時(shí)鐘信號(hào)沿上觸發(fā)， 并在對(duì)應(yīng)特定數(shù)據(jù)信號(hào)(中間的綠色跡線)的 100 MHz 時(shí)鐘信號(hào)上(上面的黃色跡線) 做關(guān)鍵的定時(shí)測(cè)量，從而得到對(duì)該外部存儲(chǔ)器器件的測(cè)量，測(cè)得建立時(shí)間為 8 ns。用常規(guī) 2 通道或 4 通道 DSO 進(jìn)行這樣的測(cè)量是不可能的，而使用與高速示波器相鏈接的邏輯分 析儀進(jìn)行這種測(cè)量則極為費(fèi)時(shí)。

圖 3. 在 32 bit 系統(tǒng)中用 MSO 進(jìn)行關(guān)鍵的建立時(shí)間測(cè)量

對(duì)于混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)中的這類信號(hào)完整性測(cè)量，MSO 的模擬和數(shù)字采集性能要遠(yuǎn)比 通道數(shù)重要。示波器模擬采集性能的最基本指標(biāo)是帶寬和采樣率。為進(jìn)行具有合理精度的 模擬測(cè)量，示波器帶寬至少應(yīng)該是所關(guān)注信號(hào)最高頻率成分的五倍。例如，若需要用示波 器模擬通道檢測(cè)最大轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為 200 MHz 的數(shù)字信號(hào)，為能以合理精度捕獲到第 5 次諧波，示波器的模擬帶寬應(yīng)達(dá)到 1 GHz。對(duì)于實(shí)時(shí)單次測(cè)量，示波器的采樣率應(yīng)是示波 器帶寬的 4 倍，或更快。要了解有關(guān)示波器帶寬和采樣率關(guān)系的更多情況，請(qǐng)下載閱讀是 德科技應(yīng)用指南“針對(duì)您的應(yīng)用選擇適當(dāng)帶寬的示波器”和“評(píng)估示波器采樣率與采樣保 真度的關(guān)系：如何獲得最精確的數(shù)字測(cè)量結(jié)果”(將在本文結(jié)尾部分列出)。

可惜有些示波器和邏輯分析儀的使用者并未充分認(rèn)識(shí)到 MSO 和邏輯分析儀需要具有怎樣 的數(shù)字采集性能。混合信號(hào)示波器MSO 具有與示波器模擬采集性能相當(dāng)?shù)臄?shù)字采集性能是非常重要的。 但這并不意味著它就是高性能示波器和低性能邏輯定時(shí)分析儀的簡(jiǎn)單組合。是德科技推薦 MSO 的數(shù)字 / 邏輯采集系統(tǒng)的采樣率至少應(yīng)達(dá)到示波器模擬采集通道帶寬的兩倍。在上 面我們剛剛討論的例子中，需要用 1 GHz 示波器捕獲轉(zhuǎn)換 / 時(shí)鐘率為 200 MHz 數(shù)字信號(hào) 的模擬特性，而以合理的定時(shí)精度在 MSO 的數(shù)字 / 邏輯通道上捕獲同樣信號(hào)，則要求數(shù) 字 / 邏輯通道達(dá)到 2 GSa/s 的采樣率。

當(dāng)您使用邏輯 / 數(shù)字采集通道時(shí)，測(cè)量分辨率被限制為 ±1 個(gè)采樣周期。例如，如果您打 算用 200 MHz(周期 = 5ns)的最大跳轉(zhuǎn) / 時(shí)鐘率捕獲數(shù)字信號(hào)，每個(gè)高或低脈沖可能會(huì) 窄到 2.5 ns(假定為 50% 占空比)。這意味著如果您的 MSO 數(shù)字采集系統(tǒng)用 2 GSa/s 的 最大速率采樣，那么在任一脈沖沿上的定時(shí)測(cè)量會(huì)達(dá)到 ±500 ps 的誤差，這對(duì)于時(shí)間差 測(cè)量來(lái)說(shuō)就是最壞條件下的 1 ns 峰峰誤差，即 2.5 ns 脈沖上的 40% 誤差。我們相信無(wú)論 是對(duì)于 MSO 還是邏輯分析儀，超過(guò) 40% 的定時(shí)誤差都是無(wú)法接受的，這正是我們推薦數(shù) 字采集通道采樣率必須至少為示波器帶寬兩倍的原因。

除帶寬和采樣率外，要考慮的另一重要因素是探測(cè)帶寬;包括模擬和數(shù)字系統(tǒng)探測(cè)的帶寬。 如果您要捕獲有超過(guò) 500 MHz 重要頻率分量的模擬或數(shù)字信號(hào)，就要在模擬通道上使用 有源探頭。同樣，數(shù)字采集系統(tǒng)的探頭也必須能夠?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的采樣電路提供更高頻率的 信號(hào)，從而能可靠地捕獲到更高頻率脈沖序列中的每一個(gè)脈沖。

混合信號(hào)觸發(fā)

對(duì)于模擬和數(shù)字 I/O 信號(hào)的特定互動(dòng)，MSO 的更多采集通道(與 DSO 相比)意味著您現(xiàn)在有了更具針對(duì)性的更多觸發(fā)可能。雖 然 MSO 尚不具備高性能邏輯分析儀的各種復(fù)雜觸發(fā)能力，但也 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 2 通道或 4 通道示波器的有限觸發(fā)能力。

今天市場(chǎng)上的多數(shù) MSO 和混合信號(hào)測(cè)量解決方案能至少在一種 電平的并行碼型觸發(fā)條件上觸發(fā)，有些 MSO 更能提供具有復(fù)位 條件的兩種電平碼型序列觸發(fā)。但即使您使用相對(duì)簡(jiǎn)單的單電平 碼型觸發(fā)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案在觸發(fā)能 力上存有巨大差異。首先非常重要的一點(diǎn)是，MSO 要能在模擬 和數(shù)字輸入的組合上觸發(fā)。對(duì)于有些混合信號(hào)測(cè)量解決方案，由 于其模擬通道和邏輯通道間的信號(hào)偏移，它們只能在采集系統(tǒng)的 一邊(模擬邊或數(shù)字邊)實(shí)施較為可靠的觸發(fā)。也就是說(shuō)您只 能在傳統(tǒng)的模擬觸發(fā)條件上，或僅在并行數(shù)字條件上觸發(fā)示波 器——而不能同時(shí)在兩種條件上觸發(fā)。MSO 應(yīng)能提供混合信號(hào) 觸發(fā)能力，并且在觸發(fā)的模擬通道和數(shù)字通道確保精確的時(shí)間校 準(zhǔn)。我們?cè)诒疚暮竺孢€將給出需要在混合信號(hào)條件下進(jìn)行觸發(fā)的 另一個(gè)例子。在該例中，要求在特定輸出相位上對(duì) MCU 控制的 DAC 同步示波器的模擬和數(shù)字采集。

對(duì)于碼型觸發(fā)的 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案來(lái)說(shuō)，還有一項(xiàng)重 要的考慮因素，就是看它是否帶有任何類型的時(shí)間限定。除送入， 與 / 或退出觸發(fā)限定外，碼型觸發(fā)條件還應(yīng)包括最小時(shí)間限定條 件。為說(shuō)明這一點(diǎn)，一種簡(jiǎn)單的方法就是：先在不穩(wěn)定的跳變狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā);然后再來(lái)演示示波器可以用怎樣的工具避免這 種不穩(wěn)定。圖 4 是使用 Keysight 6000 X 系列 MSO執(zhí)行碼型 CE (1100 1110)觸發(fā)的例子。屏幕上方清楚地顯示了信號(hào)的整體 情況，從中可以看到：總線上 DE 和 E4 之間的 CE 和 EE 是很不 穩(wěn)定的跳變狀態(tài)。這應(yīng)該就是用戶最不希望出現(xiàn)的觸發(fā)情況了。 此時(shí)，用戶可以使用示波器的時(shí)間限定菜單(Qualifier)為觸發(fā) 設(shè)定時(shí)間閾值。即：讓觸發(fā)狀態(tài)必須保持比規(guī)定的時(shí)間更長(zhǎng)或更 短;或者保持在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，或在規(guī)定的時(shí)間范圍外。

圖 4. 沒(méi)有最小時(shí)間限定，示波器在跳變的 / 不穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā)

為避免在跳變的不穩(wěn)定的條件下觸發(fā)，具備最小時(shí)間限定能力是 很重要的。當(dāng)并行數(shù)字信號(hào)改變狀態(tài)時(shí)，切換過(guò)程可能為幾乎同 時(shí) — 但并非嚴(yán)格的同時(shí)。除了信號(hào)在非高非低時(shí)的有限上升和 下降速度外，即使是在經(jīng)過(guò)最好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，信號(hào)間也會(huì)有微 小的延遲。這意味著您的系統(tǒng)在信號(hào)切換時(shí)，始終存在跳變的 / 不穩(wěn)定的信號(hào)條件。如有可能，您當(dāng)然希望 DSO/MSO 或邏輯 分析儀能避免在這些不穩(wěn)定條件下觸發(fā)。