基于混合信號示波器的混合信號電路設(shè)計及調(diào)試

隨著電子產(chǎn)品的功能變得日益復(fù)雜，混合信號越來越多地出現(xiàn)在工程師設(shè)計的產(chǎn)品中。雖然混合信號可以給設(shè)計帶來靈活性，但由于模擬和數(shù)字信號有著不同的頻率和幅度特性，因而工程師調(diào)試和測試產(chǎn)品的難度也增大了。本文詳細(xì)介紹了如何利用安捷倫的混合信號示波器來完成設(shè)計調(diào)試和測試。

如今，無論是在計算機(jī)領(lǐng)域，通信領(lǐng)域還是消費(fèi)類電子領(lǐng)域，當(dāng)你信手捻來一塊電路板時，就會發(fā)現(xiàn)其中所使用的器件是多樣性的，往往是混合著模擬器件和數(shù)字器件，其中模擬部分包括光、聲音、溫度、壓力等現(xiàn)實(shí)世界物理信號，以及電源信號、視頻信號、AM/FM等調(diào)制信號等，而數(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)等則集模擬信號和數(shù)字信號于一身。這樣的混合結(jié)構(gòu)固然給我們的設(shè)計帶來了靈活性，但同時也給調(diào)試和測試帶來了復(fù)雜性。其復(fù)雜性表現(xiàn)在：

1、模擬信號的測試和驗(yàn)證需求仍然存在，但同時存在很多路數(shù)字信號需要進(jìn)行同時顯示、驗(yàn)證和測試，尤其是需要驗(yàn)證控制信號是否在正確的時間、正確地控制著相關(guān)信號。

2、孤立信號越來越少，多路信號的關(guān)聯(lián)性調(diào)試和驗(yàn)證在很多情況下是必須的，而模擬信號速度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)字信號，要求儀器在捕獲一個慢信號完整周期的同時，還能支持很高的采樣率，這就要求儀器有很深的存儲深度和多個通道，同時價位還要能被接受。

3、高速數(shù)字信號本身呈現(xiàn)模擬特征(如過沖、振鈴等)，需要進(jìn)行信號完整性測試。

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)議同步來調(diào)試驗(yàn)證電路的需求迅速增加。

BGA等特殊封裝形式使得很多信號無法測量，可編程器件的使用使得很多關(guān)鍵信號沒有在管腳處引出。

領(lǐng)先的測試設(shè)備制造商一直致力于混合電路測試技術(shù)的研究，新開發(fā)的混合信號示波器(MSO)有助于工程師解決混合信號調(diào)試和測試方面的難題，有些用戶把這種儀器和數(shù)碼相機(jī)做了個比較，發(fā)現(xiàn)有很多相似之處，例如：

1、有廣角鏡頭能力，能捕獲全方位景色，拍下突發(fā)事件時，也記錄下周圍的人物和環(huán)境。混合信號示波器可全方位捕獲模擬和混合信號多達(dá)18路或20路，判知異常信號和其它多路數(shù)字信號或模擬信號有沒有關(guān)系。

2、像素高，一次成像，不僅可記下全景，而且可以對局部細(xì)節(jié)進(jìn)行放大而不失真?；旌闲盘柺静ㄆ鳂?biāo)準(zhǔn)配置有快響應(yīng)深存儲，可在一個屏幕上同時捕獲并顯示多達(dá)18路信號或20個通道，對每一路的信號都是深度捕獲，標(biāo)配存儲深度為1MB～8MB，還有選件可配置為更深，能夠放大幾萬倍來觀察和分析細(xì)節(jié)。

3、快門抓拍瞬間與所關(guān)注的焦點(diǎn)同步。靈活的觸發(fā)功能可以讓您把混合信號示波器和被測對象的運(yùn)行狀態(tài)同步起來，比如可與I2C、SPI等串行總線協(xié)議同步，還可與SDRAM控制命令、PCI總線命令、LCD驅(qū)動電路命令等同步。

混合信號示波器測量方案

由于混合信號電路本身的復(fù)雜性，即使您只需要觀察一路信號質(zhì)量，數(shù)字示波器和模擬示波器也無法完成，比如，當(dāng)您需要觀察DDR SDRAM的某根數(shù)據(jù)線信號質(zhì)量時，眼圖分析是常用的手段，在分析時，示波器要首先和DDR SDRAM的讀寫操作同步，根據(jù)DDR SDRAM的命令(參見表1)，這需要占用5個通道分別連接到RAS,CAS,CS,WE,CLK信號上，同時再使用另外一個通道來觀察您所關(guān)心的數(shù)據(jù)信號眼圖，結(jié)果如圖1所示，混合信號示波器可輕松獲取DDR SDRAM的連續(xù)8個讀操作(即8個眼圖)。

數(shù)字存儲示波器(DSO)或模擬示波器可以判別信號是否正常，卻不能告訴你信號是在什么時候變得不正常的，也就是說，它不能幫助你驗(yàn)證在電路特定的運(yùn)作狀態(tài)下，關(guān)鍵信號的質(zhì)量是否過關(guān)，而這對于混合信號示波器來說卻是很簡單的事情。如圖2所示，工程師用混合信號示波器可以發(fā)現(xiàn)PCI總線數(shù)采插卡在DMA控制器將總線控制權(quán)交回CPU后，采插內(nèi)部的固化軟件偶爾會跑飛，根本原因是這時時鐘會出現(xiàn)不應(yīng)該的幅值跌落，導(dǎo)致電路誤認(rèn)為新的時鐘周期到來，從而產(chǎn)生誤動作，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，從而解決了這個問題。使用時，只需注意把控制信號連接到邏輯通道上，根據(jù)PCI總線命令設(shè)定觸發(fā)條件即可。

上面的功能實(shí)質(zhì)上是混合信號示波器可以與并行總線的控制命令同步，混合信號示波器可以解決的第三個難題是與串行總線同步。比如，I2C總線僅由兩根線(時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)組成，如何判斷和驗(yàn)證電路是否能正確完成向某個地址(如0x50)讀出某個數(shù)據(jù)(如0x07)呢?混合信號示波器可根據(jù)I2C協(xié)議來判斷兩個器件是否通過I2C總線完成通信，對于其它總線如SPI、CAN也是同樣方法。也就是說，混合信號示波器能夠先將串性總線的協(xié)議解出來，然后再與之同步。

混合信號示波器解決的第四個難題是對捕獲的深存儲數(shù)據(jù)直接進(jìn)行高清晰顯示處理(圖3)。脈寬調(diào)制(PWM)信號中偶爾可能會出現(xiàn)異常信號，混合信號示波器可直接以亮點(diǎn)或其它醒目的形式將異常信號與深存儲器中其它信號直接區(qū)分開來，即使是單次采集，也沒有問題，而且還可以對這些異常的亮點(diǎn)進(jìn)行放大觀察、測量和分析。從圖4種可以看到，對其中的一個亮點(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，工程師然后可以具體測量該異常信號的時間和幅值信息。