詳解：如何用混合信號示波器探測模擬和數(shù)字信號

許多基于微控制器的系統(tǒng)都有模擬和數(shù)字信號。即使看起來是完全數(shù)字的系統(tǒng)也不完全是數(shù)字的，因為存在振鈴和串?dāng)_等模擬效應(yīng)。因此，對系統(tǒng)中的信號通常需要同時持有模擬和數(shù)字的視角。這正是混合信號示波器(MSO)可以幫助到你的地方。

混合信號示波器同時具有示波器的功能和邏輯分析儀的部分功能。最常見的混合信號示波器配置有4個模擬通道和16個數(shù)字通道，它們最適合用于嵌入式微處理器板的查錯。

圖1所示的處理器板框圖包含諸如電源、時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出等模擬信號，也有并行和串行的數(shù)字信號。并行數(shù)字信號包括CPU和GPIO接口的數(shù)字和地址線。以太網(wǎng)、SATA、PCIe、SPI、I2C和UART等接口則是高速和低速串行數(shù)據(jù)信號?；旌闲盘柺静ㄆ骺梢宰屇阍谀M或數(shù)字域中同時觀察這些信號。兩個域中的顯示都是時間上同步的，有助于發(fā)現(xiàn)問題。通過從模擬、數(shù)字或兩者結(jié)合的觸發(fā)還有助于診斷。這些采集資源還有一整套測量與分析工具進(jìn)行補(bǔ)充。不管是哪個域中的數(shù)據(jù)，這些工具都可以處理。另外，可以方便地使用搜索功能定位串行或并行數(shù)字化數(shù)據(jù)圖案。

圖1：包含模擬(綠色)、數(shù)字(紅色)和串行數(shù)據(jù)(藍(lán)色)信號的嵌入式微處理器板例子?；旌闲盘柺静ㄆ魈峁┝藛闻_儀器就能測量和查錯所有這些類型信號的方案。

比較模擬和數(shù)字

數(shù)字示波器中的模擬波形是將采集到的信號表示為一系列采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)是以示波器的采樣速率獲取的，并用示波器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)位數(shù)設(shè)定的幅度分辨率進(jìn)行了數(shù)字化。現(xiàn)代高頻示波器具有8位(256個等級)到12位(4096個等級)的ADC分辨率。

混合信號示波器中的數(shù)字軌跡代表一個比特，是以數(shù)字采樣率采樣的。幅度基本上從0到1變化，依據(jù)的是比預(yù)設(shè)的邏輯閾值(許多混合信號示波器為多種系列邏輯器件提供預(yù)設(shè)的邏輯電平)高還是低，它們代表了數(shù)字輸入的狀態(tài)。圖2顯示了模擬軌跡(底部)和數(shù)字軌跡(頂部)的比較。

圖2：數(shù)字軌跡(頂部)和模擬波形的比較。數(shù)字軌跡幅度用1或0表示，判斷依據(jù)是數(shù)字輸入端的電壓是高于還是低于用戶設(shè)定的邏輯閾值。模擬軌跡被分解為4096個(12位)幅度等級中的任意一個。

模擬軌跡可以顯示隨時間發(fā)生的電壓微小變化。你可以看到諸如脈沖上沖和振鈴等現(xiàn)象。在C1描述塊中可見的光標(biāo)幅度讀取功能可以讀到低至mV的幅度。(在數(shù)字1描述塊中的)數(shù)字軌跡光標(biāo)讀取功能則報告和1的幅度。記住，數(shù)字軌跡只顯示數(shù)字線的狀態(tài)，只有0和1兩個值。

當(dāng)顯示多根數(shù)字線時，你通?？梢赃x擇用一根線單獨(dú)觀察、捆綁成總線觀察或兩種觀察同時進(jìn)行，如圖3所示。在圖3中，8根數(shù)字線(D0到D7)以總線形式被同時顯示在畫面上(底部軌跡)，它用十六進(jìn)制計數(shù)方式顯示了所有數(shù)字線的總值。注意，D7是最高位(MSB)，D0是最低位(LSB)。

圖3：以單線和總線形式顯示的D0至D7多根數(shù)字線.總線形式顯示了十六進(jìn)制計數(shù)的所有8根線總數(shù)。D0是最低位，D7是最高位。典型的測量工具包括將數(shù)字線作為源的光標(biāo)和定時參數(shù)，如圖中所示。

你可以將示波器的參數(shù)測量工具應(yīng)用于任何一種信號類型，但對數(shù)字軌跡的測量被限制為與時間相關(guān)的測量，如周期、寬度、占空比和延時。這些參數(shù)與更為常見的模擬波形參數(shù)一樣可以作為趨勢(按先后順序繪制參數(shù)值)、跟蹤(繪制時間上與源軌跡同步的參數(shù)值)和直方圖分析工具的依據(jù)。圖3顯示了基于所示數(shù)字線的8個參數(shù)(P1-P8)。

數(shù)字設(shè)計的查錯

下面的例子展示了可以用混合信號示波器實現(xiàn)的一些基本診斷方法。第一個案例中研究的電路是一個簡單的D觸發(fā)器，以時鐘上升沿觸發(fā)。數(shù)字線D0連接到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端(D)。D1顯示的是時鐘，D2顯示的是Q輸出。與此同時，模擬通道C1、C3和C4分別連接到相同的點(diǎn)。這些波形顯示在圖4的左側(cè)。Q輸出(D2)的周期和寬度用參數(shù)P1和P2進(jìn)行測量。示波器的時基被設(shè)為采集大約5000個時鐘脈沖。

圖4：使用D2周期的蹤跡定位采集記錄中的長周期?？s放最大周期可以方便地觀察數(shù)字和模擬軌跡中的細(xì)節(jié)。

參數(shù)統(tǒng)計表明，周期的平均值為208ns，最大值是416ns，這意味著輸出沒有保持期望的周期。蹤跡F1是周期測量的軌跡，顯示在數(shù)字顯示器下方的左上側(cè)柵格中。這個軌跡顯示了作為與源軌跡在時間上同步的函數(shù)的D2周期。光標(biāo)標(biāo)識了蹤跡指示、并且周期值增加的點(diǎn)。所有軌跡都經(jīng)過縮放處于最大Q輸出周期的位置，縮放后的軌跡顯示在顯示器的右側(cè)。

代表錯誤時鐘觸發(fā)的數(shù)據(jù)信號的長周期顯示在右上柵格中的數(shù)字軌跡中。軌跡Z4中也顯示了模擬軌跡C4的縮放結(jié)果。參數(shù)P3測量的是數(shù)據(jù)C1和時鐘C3之間的建立時間。統(tǒng)計結(jié)果再次表明，最小建立時間要比標(biāo)稱值短20%。F2中的建立時間蹤跡顯示，這個縮短的建立時間是與擴(kuò)展周期同步發(fā)生的。

這是發(fā)現(xiàn)此類問題的一種方法。另外一種方法是使用被稱為WaveScan的示波器內(nèi)置搜索工具，如圖5所示。注意，大多數(shù)混合信號示波器都具有某種形式的搜索工具。

圖5：使用WaveScan并通過在D2上搜索超過標(biāo)稱208ns的周期測量值來尋找異常點(diǎn)的設(shè)置。

搜索工具可以在很長的記錄中搜索，尋找邊沿、不穩(wěn)定邊沿、超短幀、串行數(shù)據(jù)圖案、并行(總線)數(shù)據(jù)圖案或測量數(shù)據(jù)。在本例中，我們搜索在D3上測得的超過250ns的周期。當(dāng)滿足這種條件時，它會停止采集，顯示數(shù)字源軌跡，并對源軌跡進(jìn)行縮放。異常情況用紅色高亮顯示，測量到的異常值顯示在相鄰的表中。一旦發(fā)現(xiàn)問題，模擬軌跡將被打開，以便觀察引起問題的物理層問題，就像我們以前做的那樣。

混合信號示波器可以讓你觀察多達(dá)16條數(shù)字軌跡，數(shù)量要比模擬通道多。在圖6中，8條數(shù)字軌跡記錄了兩個級聯(lián)的8位移位寄存器的工作過程，這些移位寄存器是偽隨機(jī)二元序列發(fā)生器的核心電路。首先需要注意，軌跡標(biāo)簽是定制過的，用于反應(yīng)電路中的功能。我們能夠看到時鐘和串行數(shù)據(jù)輸入以及來自移位寄存器的A和B部分的Q6、Q7和Q8輸出。我們可以看作是從左到右經(jīng)過從串行輸入軌跡開始的所有16級電路傳播的“長-短”圖案(從頂部數(shù)第二個)。

參數(shù)P1使用選通延時參數(shù)測量串行輸入軌跡上從觸發(fā)器開始到圖案末端下降沿的時間。對Q6-A軌跡上的那個邊沿做類似的測量。將參數(shù)公式用于P3計算這兩個邊沿之間的時間差，結(jié)果是515.3μs。參數(shù)P4測量時鐘周期。P5中的參數(shù)公式用于將時鐘周期乘以6，以驗證從串行輸入到Q6-A的期望延時，如果是515.3μs就是正確的操作。輸出Q7-A和Q8-A表明增加了一個時鐘周期的延時。通過類似的方式還可以驗證所有16級電路的正確傳播延時。

圖6：驗證一個雙8位串行移位寄存器的正確傳播延時。

混合信號示波器的數(shù)字軌跡功能可以用來采集來自I2C、SPI和其它低頻串行標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)，如圖7所示。這里的D0包含SPI數(shù)據(jù)，D1是SPI時鐘信號。解碼器將這些波形用作源軌跡，以便解碼數(shù)據(jù)內(nèi)容，并用藍(lán)色軌跡覆蓋層和隨附表格顯示出來。解碼數(shù)據(jù)可以用ASCII、二進(jìn)制或16進(jìn)制顯示。表格也列出了相對于觸發(fā)器的數(shù)據(jù)包位置，以及每個解碼出的字節(jié)的比特率。

圖7：將數(shù)字軌跡用作SPI解碼器的源。采用16進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在藍(lán)色覆蓋層和隨附表格中。

總結(jié)

混合信號示波器可以向用戶提供比傳統(tǒng)數(shù)字示波器更多的功能。用戶可以同時觀察多達(dá)16根數(shù)字信號線，并且可以與多達(dá)4個模擬波形保持同步。數(shù)字軌跡可以用光標(biāo)或所選的測量參數(shù)進(jìn)行測量。對數(shù)字線還可以應(yīng)用分析功能和解碼操作。

從功能角度看，混合信號示波器中的數(shù)字狀態(tài)分析功能的建立比邏輯分析儀簡單，不要求額外的平臺空間。在同一臺儀器中的模擬通道可以在遇到問題時用于詳細(xì)的物理層分析。