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，因為存在振鈴和串擾等模擬效應(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行補充。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)(藍色)信號的嵌入式微處理器板例子。混合信號示波器提供了單臺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。這些采樣點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)定的幅度分辨率進行了數(shù)字化?，F(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。

當顯示多根數(shù)字線時，你通?？梢赃x擇用一根線單獨觀察、捆綁成總線觀察或兩種觀察同時進行，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。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。光標標識了蹤跡指示、并且周期值增加的點。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上搜索超過標稱208ns的周期測量值來尋找異常點的設(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二元序列發(fā)生器的核心電路。首先需要注意，軌跡標簽是定制過的，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和其它低頻串行標準的串行數(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、二進制或16進制顯示。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進制格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在藍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16根數(shù)字信號線，并且可以與多達4個模擬波形保持同步。數(shù)字軌跡可以用光標或所選的測量參數(shù)進行測量。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的物理層分析。