模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)講堂(九)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)是兩大通信信號(hào)，對(duì)于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，大家可能有所了解。往期文章中，小編對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)有所介紹。本文對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的闡述在于介紹模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。如果你對(duì)本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、前言

如今，無(wú)論是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，通信領(lǐng)域還是消費(fèi)電子領(lǐng)域，當(dāng)我們隨手拿來(lái)一塊電路板時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)其中所使用的器件是多種多樣的，往往是混合了模擬器件和數(shù)字器件，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)、電源信號(hào)、視頻信號(hào)、AM/FM等調(diào)制信號(hào)等，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)于一個(gè)器件上。這樣的混合結(jié)構(gòu)給我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了強(qiáng)大的靈活性，但同時(shí)也給調(diào)試和測(cè)試帶來(lái)了復(fù)雜性：

1、模擬信號(hào)的測(cè)試和驗(yàn)證需要仍然存在，但同時(shí)存在很多路的數(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)有無(wú)在正確的時(shí)間，正確的控制相關(guān)的信號(hào)。

2、孤立信號(hào)越來(lái)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)的速度往往低于數(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)深度和很多個(gè)通道，價(jià)位還可要可以被接受。

3、高速數(shù)字信號(hào)本身呈現(xiàn)模擬特征(如過(guò)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)議同步才能更好的調(diào)試驗(yàn)證電路。

5、BGA等特殊封裝形式使得很多信號(hào)無(wú)法直接測(cè)量，可編程器件的使用使得很多關(guān)鍵信號(hào)沒(méi)有在管腳處引出。

二、混合信號(hào)示波器

(一)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)的質(zhì)量，數(shù)字示波器和模擬示波器也無(wú)法完成，比如，當(dāng)你需要觀察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(jiàn)下表)，這需要占用五個(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(lái)觀察你所關(guān)心的數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖，結(jié)果如下圖所示，混合信號(hào)示波器(MSO)輕松獲取DDR SDRAM的連續(xù)8個(gè)讀操作(8個(gè)眼圖)，這對(duì)于普通數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)來(lái)說(shuō)是不可能的，因?yàn)樗麤](méi)有足夠多的通道鎖定SDRAM的操作，(為讓整個(gè)顯示更加清楚，我們故意沒(méi)有顯示那5路作觸發(fā)用的信號(hào))。

(二)混合信號(hào)示波器解決的另一個(gè)難題是，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，反過(guò)來(lái)講，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(guò)關(guān)，而這對(duì)混合信號(hào)示波器來(lái)講，則是再簡(jiǎn)單不過(guò)的事，如下圖所示，安捷倫的研發(fā)工程師用混合信號(hào)示波器，發(fā)現(xiàn)其PCI總線數(shù)采插卡在DMA控制器將總線控制權(quán)交回CPU后，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(lái)，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，從而解決了問(wèn)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。

(三)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相同步，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僅由兩根線(時(shí)鐘線SCL,數(shù)據(jù)線SDA)組成，如何判斷和驗(yàn)證電路可以正確的完成某個(gè)地址(如0x50)，讀出某個(gè)數(shù)據(jù)(如0x50)，混合信號(hào)示波器(如MSO6054A)完全可以根據(jù)I2C的協(xié)議，來(lái)判斷，兩個(gè)器件是否透過(guò)I2C總線完成通信，對(duì)于其他總線，如SPI,CAN也是同樣的方法，也就是說(shuō)，混合信號(hào)示波器能先將串行總線的協(xié)議先解出來(lái)，然后再與之同步。

(四)上面說(shuō)的是無(wú)論針對(duì)并行總線還是串行總線，混合信號(hào)示波器都可以做到與其命令或協(xié)議同步調(diào)試，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)的直接高清晰顯示處理，如下圖所示，脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)中偶爾會(huì)出現(xiàn)異常信號(hào)，混合信號(hào)示波器(MSO)可直接以亮點(diǎn)或其他醒目的形式將異常信號(hào)和深存儲(chǔ)器中其他信號(hào)直接區(qū)分開(kāi)來(lái)，即使是單次采集，也沒(méi)有問(wèn)題，而且還可以對(duì)這些異常的亮點(diǎn)進(jìn)行放大來(lái)觀察，測(cè)量和分析，如下圖，對(duì)其中一個(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。您可具體測(cè)量該異常的時(shí)間和幅值信息。

(五)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(kāi)發(fā)工具，往往引出的管腳也是有限的，若您使用的是Xilinx公司提供的芯片，安捷倫的FPGA動(dòng)態(tài)探頭，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。

目前被大量使用的數(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，但孤立的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，比如，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)證往往牽扯。

三、同步方案

(一)在邏輯分析系統(tǒng)中允許使用示波器模塊;

(二)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)方案都適合于可以將數(shù)十路甚至上百路信號(hào)測(cè)試點(diǎn)都引出來(lái)的電路，優(yōu)點(diǎn)是其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)源代碼相關(guān)分析。缺陷是對(duì)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(lái)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，比如，示波器若是每通道4M樣點(diǎn)的存儲(chǔ)深度，將示波器的四個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳遞到邏輯分析儀器上顯示一次有可能需要1分鐘時(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(wú)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，是難以用來(lái)解決該問(wèn)題的，對(duì)于觀察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。而且有些廠家的時(shí)間相關(guān)夾具不支持光標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能，使用起來(lái)，就更不方便了。

對(duì)于上面提到的讓儀器與串行信號(hào)的協(xié)議同步，然后調(diào)試，如對(duì)I2C,SPI等常見(jiàn)總線，即使你使用功能強(qiáng)大的邏輯分析儀加上示波器和時(shí)間相關(guān)夾具也很難實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于PWM等復(fù)雜信號(hào)中的異常，很多示波器也有高清晰顯示技術(shù)，但支持單次采集的高清晰顯示技術(shù)，目前只有安捷倫能提供。

對(duì)于管理者來(lái)講，實(shí)現(xiàn)投資利用率的最大化是非常重要的，對(duì)應(yīng)儀器的投資利用率，我們可以從兩方面來(lái)看，一是利用率，二是使用率，很顯然，混合信號(hào)示波器作為示波器的一種，其價(jià)格和同類數(shù)字存儲(chǔ)示波器相差無(wú)幾，其利用率遠(yuǎn)高于邏輯分析儀器，也因其支持額外的邏輯通道，以前用不起邏輯分析儀的用戶也可以高效的調(diào)試電路;混合信號(hào)示波器因其容易使用，您可能會(huì)將其80%的功能全部發(fā)揮出來(lái)，解決你80%的問(wèn)題。而邏輯分析加示波器的方案，因操作復(fù)雜和數(shù)量有限(價(jià)格貴，不可能擁有很多)，使用效率和使用率都會(huì)較低。

由于混合信號(hào)示波器(MSO)是根據(jù)模擬和數(shù)字混合信號(hào)電路的特征和測(cè)試需求研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，而且其價(jià)格定位適合數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)同檔次的。當(dāng)今可編程邏輯器件的電路的很多測(cè)試點(diǎn)不能被觸及或引出，幾十通道的邏輯分析儀器沒(méi)有充分的用武之地。在單位只有購(gòu)買示波器的經(jīng)費(fèi)而沒(méi)有邏輯分析儀器經(jīng)費(fèi)的情況下，混合信號(hào)示波器無(wú)疑是很好的選擇，也被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員所采用。

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