詳解用創(chuàng)新的技術(shù)偵測及找出混合信號設(shè)計中的問題

前言

據(jù)產(chǎn)業(yè)消息來源的估計，目前大約有百分之七十的電子工程師所從事的設(shè)計都大量混合了模擬和數(shù)字信號的成份，因此，設(shè)計人員愈來愈需要具備能夠?qū)⒃O(shè)計內(nèi)的模擬和數(shù)字器件或芯片間的信號時間相互關(guān)聯(lián)的能力。此外，高速的數(shù)字信號更加需要深入測量其信號質(zhì)量，因?yàn)檫@攸關(guān)信號完整性的容限大小(signal integrity margin)。針對特定的測量選擇合適的測試設(shè)備時，有效性、效率、以及價格/性能比是最主要的考慮因素。Johnnie Hancock在一篇標(biāo)題為「運(yùn)用MSO混合信號示波器偵測及找出嵌入式混合信號設(shè)計的問題」的應(yīng)用文章中，探討了選擇測試設(shè)備時，需要考慮的主要因素，包括：通道數(shù)、帶寬、采樣率、以及MSO混合信號示波器(如安捷倫科技的MSO6000系列示波器)具備的各種類型的混合信號觸發(fā)能力。本文將介紹一個更先進(jìn)的產(chǎn)品所提供的獨(dú)特價值，那就是新近推出的MSO8000系列混合信號示波器。我們將為讀者說明MSO8000支持的一些獨(dú)特功能，這些功能可以協(xié)助使用者找出各種信號問題，這是其它測量解決方案，例如傳統(tǒng)「數(shù)字示波器加上邏輯分析儀的組合」，所無法取代的。

找出死鎖問題的根本原因

安捷倫科技的工程團(tuán)隊最近在設(shè)計一塊新的數(shù)據(jù)采集電路板(acquisition board)時，遭遇到一個難纏的問題，這塊板子一般時候都可以正常運(yùn)作，但偶而卻會死機(jī)。團(tuán)隊人員利用Windows debugger確定了造成死鎖(lock-up)的原因是：有一個 “配置寫入”周期有時候無法收到確認(rèn)信號。他們修改固化軟件，重復(fù)“配置寫入”，將死鎖情形的出現(xiàn)頻率由每隔幾小時提高到每隔幾分鐘出現(xiàn)一次。圖1a顯示了利用MSO8104A示波器的狀態(tài)觸發(fā)能力，在總線信號處理權(quán)交還給CPU后，第一次開始尋址那一時刻的結(jié)果。由圖中可以看出與時鐘信號有關(guān)的一個異常的電壓跌落，這是因相鄰地址線的電容耦合所造成的。在圖1b中可以看出,在較長的時基范圍下檢視這些信號，當(dāng)電路進(jìn)入死鎖的狀態(tài)時，系統(tǒng)中一些周期性出現(xiàn)的信號會停止改變狀態(tài), ,設(shè)計團(tuán)隊運(yùn)用示波器的“逾時”(time-out)觸發(fā)能力，成功隔離出死鎖的狀況，并依據(jù)邏輯信道在死鎖的狀態(tài)，找出了時序的問題。

圖1a

圖1b

重要事件的出現(xiàn)頻率

在圖1a所示的例子中，出現(xiàn)系統(tǒng)死鎖情形的概率/頻率非常低 -大約每2到8小時才出現(xiàn)一次。此處需要設(shè)想的問題是：如果工程師無法利用debugger將問題復(fù)制出來怎么辦?我們要如何確定該問題與“配置寫入”周期之外的其它總線周期無關(guān)呢?所幸，安捷倫科技的MSO8000系列示波器提供了一個稱為“分段式存儲”(segmented memory)的先進(jìn)功能，可透過優(yōu)化調(diào)整示波器存儲器的設(shè)置和重新預(yù)準(zhǔn)備(re-arm)時間，讓該特定總線周期只要一出現(xiàn)，示波器就把它捕獲下來，可以連續(xù)捕獲數(shù)千個該特定動作對應(yīng)的總線周期信號，圖2a顯示的就是一個例子。

圖2a

圖2b

MSO混合信號示波器的模擬信道和數(shù)字信道的采集存儲器可被分為許多段，當(dāng)示波器的觸發(fā)條件第一次出現(xiàn)的時候，波形數(shù)據(jù)會被填入第一段的存儲器，當(dāng)觸發(fā)條件第二次出現(xiàn)時，則會填入第二段的存儲器，依此類推。在圖2b顯示的例子中，利用示波器的分段式存儲器采集模式，依序采集到出現(xiàn)了1000次的重要事件。事實(shí)上，利用MSO8000的采集存儲器(示波器通道選件深達(dá)128 M，邏輯信道是標(biāo)配每信道32M)，最多可以采集32,000段的波形。在采集到指定的區(qū)段數(shù)之后，可以使用熒屏右下方的瀏覽控制鍵，輕易地逐一回放每個區(qū)段，以便清楚地查看信號異常是否只與示波器的邏輯信道所采集到的一個重要時序事件有關(guān)，或是DUT還有其它關(guān)鍵的總線動作也會造成信號異常的現(xiàn)象?分段式存儲器采集模式同時支持示波器信道和邏輯信道，對內(nèi)嵌式系統(tǒng)設(shè)計的除錯有很大的幫助，因?yàn)檫@種設(shè)計大多是以狀態(tài)機(jī)(state machine)為主，您可以透過邏輯信道來設(shè)定觸發(fā)條件，觀察每一個狀態(tài)的信號行為。

瀏覽控制功能不僅在使用分段式存儲器采集模式時可以使用，而且在串行總線譯碼模式下也可以使用。圖3所示為I2C總線的信號，與譯碼窗口內(nèi)的信號是時間相互關(guān)聯(lián)的。雖然I2C不是一種高速的串行總線，而且就這種低速總線的時鐘與數(shù)據(jù)信號而言，信號完整性的問題可能也不是主要的考慮點(diǎn)，但是利用這種通訊信號進(jìn)行觸發(fā)，并且讓示波器同步進(jìn)行采集，或許可以揭露出系統(tǒng)中其它時間相互關(guān)聯(lián)之模擬和/或高速數(shù)字信號的信號完整性問題。在某些情況下，我們可能會知道待測信號或許會出現(xiàn)問題，但卻不知道何時會發(fā)生問題，或是問題跟哪個信號有關(guān)。在串行總線譯碼功能的協(xié)助下，示波器可以顯示出圖3a中的情形：只有當(dāng)一個特定的I2C讀取動作發(fā)生時，才會出現(xiàn)一個雙周期的雷達(dá)chirp輸出信號。您可以瀏覽譯碼列表窗口中的每一個讀取動作，以驗(yàn)證該特定的事件(其它相關(guān)信號)是否有發(fā)生。這個概念與FPGA的除錯方式很類似，安捷倫科技的MSO8000支持Xilinx FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自動切換和測試，可以將FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(> 1000個多個待切換測試的節(jié)點(diǎn))與外部信號的時間相互關(guān)聯(lián)來顯示和分析(這個主題不在這篇文章的討論范圍內(nèi))。一旦工程師知道這些問題何時會發(fā)生，以及問題與哪個信號和/或總線周期相關(guān)聯(lián)之后，通常就可以快速地解決設(shè)計的問題。

圖3

InfiniiScan = 問題找尋工具

很多時候，想要找出設(shè)計中的串行接口與并行總線的潛在問題是相當(dāng)耗費(fèi)時間的事情，特別是當(dāng)問題出現(xiàn)地相當(dāng)隨機(jī)和/或出現(xiàn)的頻率不高時。設(shè)計工程師有時候會修改固化軟件(韌體/HDL)，讓系統(tǒng)進(jìn)入一種特殊的反復(fù)循環(huán)來試著復(fù)現(xiàn)問題，也就是藉由強(qiáng)迫出現(xiàn)特定條件的方式，讓問題比較容易出現(xiàn)，如前所述。但即使采用這種方法，如果手上沒有創(chuàng)新設(shè)計的利器，有時候依然很難隔離和找出問題點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

圖4a

圖4b

您在設(shè)計時可能會碰到許多不同類型的信號問題，例如設(shè)定(set up)和保持(hold)時間違規(guī)、過多的過沖與振鈴(ringing)問題、隨機(jī)出現(xiàn)的毛刺、甚至是可能在不對的時間不對的空間出現(xiàn)不該有的脈沖信號等。要找出這些問題可能會有一定的難度，特別是如果問題不常出現(xiàn)或如果您不知道發(fā)生的原因時，又會更加地困難。安捷倫科技的MSO8000系列示波器最近推出了一項(xiàng)稱為“InfiniiScan”的新功能，可協(xié)助找出各種信號問題 -如信號出現(xiàn)在不該出現(xiàn)的地方、或是該出現(xiàn)時卻沒有出現(xiàn)的問題。舉例來說，圖4a顯示的叢發(fā)脈沖串就是在最后一個完全傳送的比特(位)之后，原本不應(yīng)該再出現(xiàn)脈沖，卻又跑出一個脈沖信號的情形，如圖4a所示，在最后一個比特(位)之后大約600 ns的地方，有時候會隨機(jī)出現(xiàn)一個突波。此時您可以使用鼠標(biāo)(或是用您的手指在觸控式熒屏上操作)，在不應(yīng)該出現(xiàn)信號的范圍拉出一個“方框”，告訴示波器如果其顯示屏的這個方形區(qū)域/范圍內(nèi)出現(xiàn)信號異常狀況/脈沖時，就停止反復(fù)采集的動作，或是只顯示出有問題的狀況，接下來示波器就只會顯示含有問題脈沖的采集畫面了。

圖4b所示為一個時鐘信號的問題，其中的壓降造成一個錯誤的時鐘脈沖。為了采集這個特殊的問題，我們利用InfiniiScan設(shè)定了一個雙區(qū)域的掃描范圍，第一個區(qū)域定義為“信號必須通過” 的范圍，第二個區(qū)域則定義為“信號不可通過” 的范圍。

除了指定必須通過/不可通過的“范圍”組合之外，InfiniiScan也可以設(shè)定為只顯示包含”指定之合格和/或不合格參數(shù)量測結(jié)果”的采集畫面。圖5 是一個設(shè)定示波器來同時監(jiān)測五組量測的例子，當(dāng)任何一組參數(shù)量測的結(jié)果超過了指定的限制范圍時，就會將波形存儲下來或停止波形采集。接下來，您還可以運(yùn)用 InfiniiScan的瀏覽控制功能，輕松地在“不符合限制測試條件” 的波形上掃視任何位置的波形，查看信號的細(xì)節(jié)。

圖5

高階的應(yīng)用：LA+DSO或LA+MSO?

大部分的MCU和DSP內(nèi)部都有地址和數(shù)據(jù)線，因此通常由外部無法監(jiān)測這些地址和數(shù)據(jù)線。大部分內(nèi)嵌了MCU/DSP的設(shè)計中需要監(jiān)測的外部信號一般會包括數(shù)字I/O(每個通常最多8位)、控制線、串行總線線(如I2C或SPI)、以及一些模擬I/O信號(如A/D、D/A和傳感器的輸入信號)。不論 MCU/DSP 本身是多少位(8、16或32位)，使用4+16信道的MSO混合信號示波器來檢視這些類型的信號都相當(dāng)合適不過。然而，對某些需要的通道數(shù)超過20個的高階應(yīng)用來說，例如有外部總線的微處理器系統(tǒng)，或許需要考慮使用時間相互關(guān)聯(lián)的雙機(jī)解決方案：邏輯分析儀+示波器。LA+DSO/MSO解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)之一是示波器信道和邏輯分析儀信道之間的時間可以相互關(guān)聯(lián)，不僅是模擬和數(shù)字波形的時間是相互關(guān)聯(lián)的，而且兩部儀器之間的時序光標(biāo)也可以相互關(guān)聯(lián)(如使用安捷倫的邏輯分析儀和示波器組合方案)，這表示無論您將邏輯分析儀顯示屏上的時序光標(biāo)移到什么地方，示波器上相關(guān)聯(lián)的時序光標(biāo)也會移到同一個時間關(guān)聯(lián)的位置。這雖是一項(xiàng)簡單的功能，但除非您使用的是安捷倫科技的DSO/MSO+邏輯分析儀，否則目前市面上所有的LA+DSO解決方案都無法提供這樣的功能。

由于MSO和邏輯分析儀都能提供多個邏輯采集信道，您可能會直覺地認(rèn)為將MSO和邏輯分析儀的時間相互關(guān)聯(lián)是多余的，但事實(shí)上，當(dāng)您需要較多的通道時， MSO+LA通常才是最佳的解決方案(相較于DSO+LA)，主要的原因在于MSO的許多功能都無法由“DSO+LA”的組合來取代。雖然使用時間上相互關(guān)聯(lián)的DSO+LA，可以讓您在同一個熒屏(LA的熒屏)上顯示所有的示波器波形和邏輯波形，但不幸的是，您將無法看到“活生生”、實(shí)時更新的顯示畫面 (邏輯信道和示波器信道在一個屏幕上同時更新)。做為一種除錯工具，波形更新速率是非常重要的，會影響您能否揭露出設(shè)計中隱藏的問題，另外一個實(shí)際例子是，若要觀察DDR信號的讀眼圖或?qū)懷蹐D，您必須同時連接時鐘信號、片選信號、寫使能、行選、列選并它們狀態(tài)設(shè)置成和讀操作或?qū)懖僮?，同時用示波器的某個通道觀察數(shù)據(jù)信號的眼圖，該測量一方面需要快速波形更新率，另一方面要求邏輯通道的觸發(fā)抖動很小，這兩點(diǎn)都是“DSO+LA”組合方案無法做到的。此外，安捷倫科技的MSO也是唯一可以同時對示波器信道和邏輯信道同時進(jìn)行觸發(fā)條件設(shè)定的(混合信號觸發(fā))工具。最后，如果20個混合模擬和數(shù)字信號的采集信道對您的應(yīng)用大部分時間來說已經(jīng)夠用了，那么MSO就可以做為您主要的首選工具，而不一定要將兩部儀器合在一起，換句話說，您大部分的應(yīng)用只要使用MSO就夠了，唯有在必要時，才需結(jié)合MSO和邏輯分析儀，這時利用兩臺儀器的全局光標(biāo)功能時間相關(guān)地同屏或分屏顯示和分析信號。

結(jié)語

當(dāng)您考慮要購買下一部測試設(shè)備，以測試混合信號的設(shè)計時，了解不同解決方案的獨(dú)特價值將能協(xié)助您做出正確的選擇。安捷倫科技建議使用MSO或MSO+LA 的解決方案(視您的預(yù)算和量測需求而定)，這樣就足以協(xié)助您既有效又有效率地找出和解決各種問題了。安捷倫科技的MSO8000不僅是一部混合信號示波器，也是一套可以協(xié)助您找出許多電路問題根本原因的工具。

作者簡介

杜吉偉畢業(yè)于中國南京電子工程大學(xué)，主修電子工程及通訊系統(tǒng)，目前是安捷倫科技亞太地區(qū)的示波器產(chǎn)品線經(jīng)理。先前曾任職VXI和邏輯分析儀技術(shù)支持工程師，于2000年加入安捷倫科技，主要擔(dān)任新興技術(shù)的營銷工程師。閑暇之余，吉偉喜歡和朋友一起爬山。

Johnnie Hancock畢業(yè)于南佛羅里達(dá)大學(xué)(University of South Florida)的電機(jī)工程系，目前是安捷倫科技電子儀器事業(yè)群的信號完整性應(yīng)用工程師。Johnnie于1979年加入惠普科技，擔(dān)任內(nèi)嵌式硬件設(shè)計工程師一職，在數(shù)字示波器的放大器校準(zhǔn)上擁有一項(xiàng)專利，目前則是負(fù)責(zé)安捷倫數(shù)字示波器的全球應(yīng)用支持及推展工作。閑暇之余，Johnnie喜歡從事越野賽跑活動，以及整修他那棟已經(jīng)有110年悠久歷史的維多利亞式別墅。[!--empirenews.page--]