分析混合信號(hào)示波器加速?gòu)?fù)雜系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用

當(dāng)代電子電路設(shè)計(jì)中，特別是嵌入式電路設(shè)計(jì)，面臨很多新技術(shù)的挑戰(zhàn)，如：更多的總線應(yīng)用，更高速的時(shí)鐘和數(shù)字信號(hào)，集成度更高的PCB設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)中還融入了RF功能。面對(duì)這樣的設(shè)計(jì)工作，工程師需要相應(yīng)的測(cè)試手段和工具，來(lái)完成比以往更加復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。為了解系統(tǒng)的整體工作特性，工程師只有同時(shí)測(cè)量模擬、數(shù)字信號(hào)，甚至包括總線信號(hào)，才能了解系統(tǒng)故障的原因和掌握信號(hào)和指令的時(shí)序和邏輯關(guān)系。

在許多復(fù)雜的測(cè)試方案中，示波器并不能為其提供足夠的通道數(shù)量。工程師要么在實(shí)驗(yàn)室中多找?guī)着_(tái)示波器，要么使用邏輯分析儀。但不管是哪種情況，復(fù)雜性都會(huì)明顯提高。例如數(shù)字設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的建立保持違規(guī)問(wèn)題。傳統(tǒng)電路中的時(shí)鐘速度較低，對(duì)信號(hào)建立保持性能的余量較大。

但隨著系統(tǒng)主頻的不斷增加，PCB設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，建立保持違規(guī)問(wèn)題越來(lái)越常見。檢測(cè)該問(wèn)題需要設(shè)定一個(gè)通道為時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)通道為數(shù)據(jù)信號(hào)，并設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間范圍。但需要同時(shí)測(cè)量多路信號(hào)的建立保持問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)的示波器顯然無(wú)法滿足，需要帶有數(shù)字邏輯通道的示波器才能完成此類工作。混合信號(hào)示波器(MSO)同時(shí)提供了模擬通道和數(shù)字通道，為應(yīng)對(duì)這類測(cè)量挑戰(zhàn)提供了理想的解決方案。

羅德與施瓦茨(Rohde & Schwarz)中國(guó)區(qū)示波器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理焦保春指出，由于混合信號(hào)示波器具有更多的通道和整體觸發(fā)分析功能，因此可以很好地解決上述問(wèn)題。首先混合信號(hào)示波器的通道數(shù)更多，可以同時(shí)測(cè)試多路模擬、數(shù)字和總線信號(hào)。其次，多路信號(hào)在總線上時(shí)時(shí)間相關(guān)的，且可以利用總線數(shù)據(jù)的特征作為觸發(fā)條件，捕獲數(shù)據(jù)指令產(chǎn)生前的系統(tǒng)狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)發(fā)出后的變化情況。由于具有多通道的特性，模擬加數(shù)字加總線信號(hào)，工程師可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和調(diào)試。

羅德與施瓦茨公司的混合信號(hào)示波器擁有杰出的技術(shù)指標(biāo)和功能。其MSO的數(shù)字通道采樣率為5Gs/S，這意味可以發(fā)現(xiàn)更窄的毛刺，找出一些在其他示波器不能發(fā)現(xiàn)的高速數(shù)字異常。此外，200M的數(shù)字存儲(chǔ)長(zhǎng)度也遠(yuǎn)高于其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。擁有更長(zhǎng)的存儲(chǔ)可以使用戶在同樣的高采樣率下，捕獲更長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)故障更加容易。

RTO混合信號(hào)示波器的創(chuàng)新還包括對(duì)數(shù)字通道也擁有200,000次/秒以上的波形捕獲率(模擬通道的波形捕獲率為1,000,000次/秒)。如果數(shù)字通道可以快速捕獲和顯示波形，用戶就可以輕松發(fā)現(xiàn)多達(dá)16條通道上偶然出現(xiàn)的故障，極大簡(jiǎn)化了多通道系統(tǒng)排障工作。另一項(xiàng)獨(dú)特的功能是混合信號(hào)與RF信號(hào)的相關(guān)測(cè)試，RTO示波器擁有強(qiáng)大的頻域分析功能，能夠完成一些通常只有頻譜分析儀才能做到的頻譜分析和頻域測(cè)量工作。

另一方面，傳統(tǒng)的示波器一般只有4個(gè)通道，在調(diào)試電路時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多瓶頸。例如，即使調(diào)試簡(jiǎn)單的8位單片機(jī)電路，也無(wú)法時(shí)間相關(guān)地同時(shí)觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出和多路IO信號(hào)，如果分時(shí)測(cè)試，則對(duì)偶發(fā)故障毫無(wú)辦法;

出現(xiàn)故障時(shí)，要了解故障是否是在單片機(jī)或內(nèi)存芯片特定時(shí)候產(chǎn)生的，因?yàn)闆]有足夠的通道連到被測(cè)系統(tǒng)的控制信號(hào)上，無(wú)法知道故障產(chǎn)生時(shí)控制信號(hào)處于何種狀態(tài);而在使用了FPGA的電路中，不僅測(cè)試管腳多，而且其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)更多，要驗(yàn)證其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，僅使用廠家提供的內(nèi)部邏輯分析儀或JTAG調(diào)試工具是不夠的，因?yàn)槟菢訜o(wú)法看到信號(hào)時(shí)序信息或信號(hào)完整性問(wèn)題。

除了通道數(shù)不夠，示波器本底噪聲過(guò)大，ADC分辨率和動(dòng)態(tài)范圍不夠;高帶寬示波器往往只兼顧高速信號(hào)的測(cè)試;沒有和示波器相匹配的多通道邏輯時(shí)序測(cè)試探頭，沒有專用的頻譜分析儀選件以及協(xié)議分析選件等都是傳統(tǒng)示波器面臨的問(wèn)題。

力科公司(LeCroy)市場(chǎng)部經(jīng)理胡為東介紹說(shuō)，力科示波器集高ADC位數(shù)(12位ADC)、高動(dòng)態(tài)范圍、多達(dá)36通道的數(shù)字邏輯探頭、專用頻譜分析儀選件、協(xié)議分析儀選件于一身，通過(guò)LBUS接口實(shí)現(xiàn)多通道示波器，通過(guò)8HP鍺化硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)36GHz的芯片;采用DBI數(shù)字帶寬復(fù)用專利技術(shù)、ChannelSync通道同步專利技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65GHz和多達(dá)80個(gè)通道的精確同步;高帶寬示波器中還集成了高速信號(hào)測(cè)試接口和低速信號(hào)測(cè)試接口;集成的專用協(xié)議分析儀功能可實(shí)現(xiàn)各種低速總線、高速總線的協(xié)議層分析能力。

安捷倫科技(Agilent)示波器和數(shù)字電路測(cè)試亞太區(qū)市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理杜吉偉對(duì)此亦有認(rèn)同：混合信號(hào)示波器的優(yōu)勢(shì)在于具有更多的通道數(shù)，一般是在2或4個(gè)示波器通道的基礎(chǔ)上追加16個(gè)邏輯分析儀通道;支持混合信號(hào)觸發(fā)，可觀察模擬信號(hào)與多路數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)序等。

泰克公司(Tektronix)大中華區(qū)分銷業(yè)務(wù)高級(jí)技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理鄧錦輝談到，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)測(cè)試，示波器提供的功能可分成幾個(gè)階段：第一個(gè)階段是怎么保證信號(hào)從被測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)綔y(cè)試儀器，這涉及探頭問(wèn)題。第二個(gè)階段是信號(hào)進(jìn)來(lái)后怎樣從所輸入的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。第三個(gè)階段是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后怎樣抓住定位這個(gè)問(wèn)題。第四個(gè)階段是獲取大量數(shù)據(jù)后怎樣快速找到問(wèn)題所在位置和時(shí)刻，當(dāng)前時(shí)刻究竟發(fā)生了什么問(wèn)題，即搜索功能。最后是聯(lián)測(cè)跟分析功能。

當(dāng)前示波器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常厲害，“泰克的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)之一是，在終端示波器市場(chǎng)以及整個(gè)示波器市場(chǎng)，探頭是做得最好的。”如果信號(hào)進(jìn)來(lái)就已經(jīng)失真了或者被干擾了，那么更好的分析功能也沒用，因此泰克花費(fèi)了很多功夫來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭的突破。據(jù)鄧錦輝介紹，許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至做了一些適配器來(lái)配合泰克的探頭，因?yàn)樗麄兊奶筋^無(wú)法做到泰克這么全面和準(zhǔn)確。例如，過(guò)去對(duì)于無(wú)源探頭而言，電阻、電容電路無(wú)法做到很高頻寬，而泰克通過(guò)DSB的方法校正前端放大器的頻閃，將探頭的頻閃從500M提高到了1G。泰克針對(duì)不同通道數(shù)量和記錄長(zhǎng)度的更靈活的配置需求推出了六種帶寬為1GHz的新型號(hào)MSO/DPO4000B示波器。其中包括記錄長(zhǎng)度為20M的雙通道機(jī)型，以及5M記錄長(zhǎng)度的雙通道和四通道“精簡(jiǎn)”版機(jī)型。新產(chǎn)品在觸發(fā)、搜索和分析等重要方面毫無(wú)性能犧牲，同時(shí)還包括1GHz無(wú)源探頭。

怎樣讓調(diào)試更快速一直是終端示波器需要面對(duì)的一個(gè)難點(diǎn)，尤其怎么發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，抓住問(wèn)題以及搜索這些問(wèn)題的所在點(diǎn)。“泰克提供了很多不同的手段，允許客戶自定義很多不同的觸發(fā)條件以及搜索的條件，鎖定其所關(guān)注的事情或故障的位置，我們提供的各種條件目前是最多、最全的。”鄧錦輝還表示，與高端頻譜儀的定位不同，混合域示波器(MDO)的頻譜儀定位在調(diào)測(cè)目的，其中有模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)等來(lái)跟蹤信號(hào)的互相聯(lián)系。“MDO提供的價(jià)值在于它是一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)測(cè)工具，可以同時(shí)測(cè)試16個(gè)數(shù)字通道，4個(gè)模擬通道和1個(gè)射頻通道，測(cè)試這21個(gè)通道之間在時(shí)間上的關(guān)系。”

目前共享時(shí)基和觸發(fā)的混合信號(hào)示波器最多支持16個(gè)邏輯通道，邏輯分析儀的功能相對(duì)簡(jiǎn)單。可以預(yù)見的是，未來(lái)的混合信號(hào)示波器將具有更高的數(shù)字采樣率和波形捕獲率，更強(qiáng)大的總線分析能力，模擬、數(shù)字甚至包括射頻信號(hào)的相互觸發(fā)和分析能力。安捷倫科技的杜吉偉認(rèn)為：未來(lái)的三到五年內(nèi)，混合信號(hào)示波器仍會(huì)以示波器功能為主，邏輯分析儀功能為輔。

混合信號(hào)示波器會(huì)出現(xiàn)在更高帶寬的示波器中，目前MSO9000A最高帶寬是4GHz，不久的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)20GHz、25GHz、33GHz帶寬的混合信號(hào)示波器。混合信號(hào)示波器的邏輯通道的定時(shí)采樣速率會(huì)不斷提升，目前示波器的采樣率已經(jīng)達(dá)到160GSa/s(如安捷倫63GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器)，邏輯通道的定時(shí)速率有機(jī)會(huì)達(dá)到或突破20GSa/s。邏輯通道的功能會(huì)增強(qiáng)，包括類似邏輯分析儀的圖形顯示，在圖形顯示基礎(chǔ)上再進(jìn)行其它數(shù)學(xué)處理如FFT等。