用混合信號(hào)示波器識(shí)別建立和保持時(shí)間違規(guī)

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信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于同步設(shè)計(jì)，時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)間尤為重要。使用混合信號(hào)示波器，可以輕松確定多個(gè)邏輯輸入和時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系。建立和保持時(shí)間觸發(fā)器自動(dòng)確定時(shí)鐘與數(shù)據(jù)時(shí)間關(guān)系。

建立時(shí)間是指在有效時(shí)鐘邊緣發(fā)生之前，輸入數(shù)據(jù)信號(hào)保持穩(wěn)定（高或低）的時(shí)間。保持時(shí)間是指在有效時(shí)鐘邊緣發(fā)生之后，輸入數(shù)據(jù)信號(hào)保持穩(wěn)定（高或低）的時(shí)間。同步器件（如觸發(fā)器）的元件數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定了設(shè)置和保持時(shí)間。必須滿足設(shè)置和保持時(shí)間的要求，才能確保元件能夠正確可靠地工作。

混合信號(hào)示波器（MSO）由于能夠捕捉信號(hào)的模擬和數(shù)字表示并以時(shí)間關(guān)聯(lián)的格式顯示它們，非常適合驗(yàn)證數(shù)字信號(hào)的信號(hào)完整性和調(diào)試數(shù)字電路。本文以5系列MSO為例說明，2、4、5和6系列MSO操作方式相同。MSO2000和MSO5000系列示波器遵循相同的原理，但用戶界面有所不同。它們都結(jié)合了專業(yè)級(jí)示波器的性能和邏輯分析儀的基本功能。3系列MDO、MDO3000和MDO4000系列混合域示波器也提供16通道邏輯分析儀功能。這里，MSO中提到的任何功能或能力也適用于MDO產(chǎn)品。

MSO設(shè)置

理解數(shù)字時(shí)間分辨率（數(shù)字采樣率）

一個(gè)重要的MSO采集規(guī)格是用于捕獲數(shù)字信號(hào)的時(shí)間分辨率。采樣率在不同的MSO型號(hào)之間有所不同。在進(jìn)行建立和保持時(shí)間測量時(shí)，了解時(shí)間測量分辨率非常重要。

數(shù)字采樣率和記錄長度

表1 列出了集成電路的建立和保持時(shí)間規(guī)格，通常為幾納秒或更短。當(dāng)使用MSO的數(shù)字邏輯輸入測試它們時(shí)，必須考慮邏輯輸入的時(shí)間分辨率

圖1 使用自動(dòng)測量快速驗(yàn)證邏輯信號(hào)幅度

設(shè)置數(shù)字閾值

混合信號(hào)示波器的數(shù)字通道像數(shù)字電路一樣，將數(shù)字信號(hào)視為邏輯高或邏輯低。這意味著只要振鈴、過沖和地彈不引起邏輯轉(zhuǎn)換，這些模擬特性對(duì)MSO來說就不是問題。與邏輯分析儀一樣，MSO使用用戶指定的閾值電壓來確定信號(hào)是邏輯高還是邏輯低。

MSO的模擬通道可以快速檢查數(shù)字信號(hào)的邏輯擺幅。在圖1中，示波器自動(dòng)測量數(shù)字信號(hào)的幅度約為3.6V。對(duì)于具有對(duì)稱電壓擺幅的邏輯系列，如CMOS，閾值為信號(hào)幅度的一半。然而，對(duì)于具有非對(duì)稱電壓擺幅的邏輯系列，如TTL（晶體管-晶體管邏輯），通常需要參考組件數(shù)據(jù)表并將閾值定義為邏輯器件的最大低電平輸入電壓（TTLVIL=0.8V）和最小高電平輸入電壓（TTLVIH=2.0V）之間的中點(diǎn)（TTLV閾值=1.4V）。

圖2 在同一個(gè)TLP058數(shù)字邏輯探頭組上設(shè)置混合邏輯系列（TTL和CMOS）的閾值

大多數(shù)泰克MSO提供每通道閾值設(shè)置，這對(duì)于調(diào)試具有混合邏輯系列的電路非常有用。圖2顯示了5系列MSO使用8通道TLP058探頭測量多個(gè)邏輯信號(hào)。TTL信號(hào)閾值設(shè)置為1.7V，3.3VCMOS信號(hào)閾值設(shè)置為1.65V，5VCMOS信號(hào)閾值設(shè)置為2.5V，從而能夠可靠地同時(shí)采集各種邏輯信號(hào)。

對(duì)于3系列MDO、MSO2000和MDO3000系列，閾值是按探頭組（一個(gè)8通道的組）調(diào)整的，因此TTL信號(hào)將在一個(gè)探頭組上，而LVPECL信號(hào)將在第二個(gè)探頭組上。

圖3 探頭顏色編碼與波形顏色編碼相匹配，使得更容易看到哪個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)哪個(gè)測試點(diǎn)

解讀彩色編碼數(shù)字波形顯示

數(shù)字定時(shí)波形與模擬波形非常相似，只顯示邏輯高和低電平。為了簡化分析，TektronixMDO/MSO示波器將邏輯低電平顯示為藍(lán)色，邏輯高電平顯示為綠色，即使過渡不可見，也能看到邏輯值。波形標(biāo)簽的顏色還與探頭的顏色編碼相匹配，使得更容易看到哪個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)哪個(gè)測試點(diǎn)，如圖3所示。

圖4 在MDO/MSO系列上的定時(shí)采集示例。定義了三條并行總線，并利用器件的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)其進(jìn)行解碼

數(shù)字定時(shí)波形可以組合成一個(gè)總線。一個(gè)數(shù)字信號(hào)被定義為最低有效位，其他數(shù)字信號(hào)代表二進(jìn)制值的其他位，直至最高有效位。然后，示波器將總線解碼為二進(jìn)制或十六進(jìn)制值。

圖5 模擬通道與數(shù)字通道時(shí)間對(duì)齊

消除通道之間的時(shí)間偏移

每臺(tái)Tektronix MDO或MSO系列示波器都有兼容的邏輯探頭。為了簡化數(shù)字測量，示波器會(huì)補(bǔ)償邏輯探頭的傳播延遲。因此，不需要進(jìn)行數(shù)字通道探頭的相差校正。

然而，為了更好地進(jìn)行模擬和數(shù)字波形之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)測量，重要的是消除模擬到數(shù)字的時(shí)間偏移。在圖5所示的示例中，為了將模擬通道與數(shù)字通道對(duì)齊，模擬波形的2V（50%幅度）位置與在2V閾值處發(fā)生的數(shù)字信號(hào)過渡時(shí)間對(duì)齊。手動(dòng)調(diào)整相差值以將模擬通道對(duì)齊到數(shù)字通道。此相差校正過程需要對(duì)任何其他模擬通道重復(fù)進(jìn)行。

當(dāng)更換模擬探頭時(shí)，應(yīng)檢查模擬通道的偏移；當(dāng)測量不同的邏輯系列時(shí)，應(yīng)檢查數(shù)字閾值。配置好閾值和偏移后，示波器便可以用于驗(yàn)證和調(diào)試數(shù)字電路。

圖6 觸發(fā)器行為示例

圖7 這個(gè)74HCT74觸發(fā)器看起來按預(yù)期工作

觸發(fā)器時(shí)間測量

最簡單的同步邏輯器件是觸發(fā)器。D輸入的邏輯狀態(tài)只有在時(shí)鐘上升沿之后（經(jīng)過D觸發(fā)器傳播延遲后）才會(huì)出現(xiàn)在Q輸出上。MSO是驗(yàn)證觸發(fā)器工作狀態(tài)和調(diào)試數(shù)字電路的理想工具。

乍一看，如圖7所示，觸發(fā)器似乎按預(yù)期工作。數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘上升沿之前已經(jīng)穩(wěn)定了幾納秒，并且在時(shí)鐘邊沿之后保持穩(wěn)定了幾納秒。從時(shí)鐘邊沿到Q輸出的傳播延遲大約是6納秒。

圖8 74HCT74觸發(fā)器上的建立時(shí)間違規(guī)導(dǎo)致Q輸出未改變

在圖8中，數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘邊沿之前僅300ps發(fā)生變化，遠(yuǎn)低于15ns的建立時(shí)間規(guī)范——這是一個(gè)建立時(shí)間違規(guī)。注意，Q輸出沒有如預(yù)期那樣改變狀態(tài)。

注意圖8中信號(hào)過渡周圍的灰色區(qū)域。MSO顯示這些區(qū)域以指示與數(shù)字采樣率相關(guān)的時(shí)間不確定性。

圖9 74HCT74觸發(fā)器上的保持時(shí)間違規(guī)導(dǎo)致Q輸出未改變

圖9顯示了一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘邊沿后大約300ps發(fā)生變化的實(shí)例。這遠(yuǎn)低于3ns的保持時(shí)間規(guī)范——這是一個(gè)保持時(shí)間違規(guī)。再次注意，Q輸出沒有如預(yù)期那樣改變狀態(tài)。

圖10 在74LVCG74觸發(fā)器上的自動(dòng)建立和保持時(shí)間違規(guī)觸發(fā)捕獲了許多錯(cuò)誤

捕獲建立和保持時(shí)間違規(guī)

MSO具有一種專門的觸發(fā)模式，旨在自動(dòng)捕獲每個(gè)建立和/或保持時(shí)間違規(guī)。建立和保持時(shí)間觸發(fā)器測量時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)（或某些MSO上的數(shù)據(jù)信號(hào)）之間的時(shí)間關(guān)系，并在建立時(shí)間或保持時(shí)間低于規(guī)范時(shí)捕獲信號(hào)。這種功能簡化了調(diào)試工作，還可以用于設(shè)計(jì)的無人值守監(jiān)控。

在查閱74LVCG74組件數(shù)據(jù)表后，將建立和保持時(shí)間觸發(fā)參數(shù)分別設(shè)置為2納秒和1納秒，以捕獲任何違規(guī)情況，如圖10所示。MSO會(huì)自動(dòng)觸發(fā)在第一個(gè)違反指定參數(shù)的輸入條件上。

圖11 脈沖寬度觸發(fā)器在74LS74觸發(fā)器的輸出上捕獲到一個(gè)窄脈沖故障

在上一個(gè)例子中，建立和保持觸發(fā)器用于觸發(fā)觸發(fā)器的輸入。另一種方法是觸發(fā)設(shè)備輸出的信號(hào)錯(cuò)誤，并捕獲輸入信號(hào)進(jìn)行分析。

在下一個(gè)例子中，一個(gè)基于74LS74低功耗肖特基TTL技術(shù)的舊設(shè)計(jì)出現(xiàn)了間歇性錯(cuò)誤。高電平的最低輸出電壓為2.4V，因此所有高電平輸出信號(hào)應(yīng)至少達(dá)到該電壓。該設(shè)計(jì)基于20MHz時(shí)鐘（周期50ns），因此所有輸出脈沖的寬度應(yīng)至少達(dá)到這個(gè)周期的一半。

掌握這些信息后，示波器可以快速確定輸出信號(hào)是否按預(yù)期工作，并在不正常時(shí)捕獲輸入和輸出信號(hào)。圖11顯示了脈沖寬度觸發(fā)器捕獲到的一個(gè)窄脈沖故障，即脈沖寬度小于該設(shè)計(jì)預(yù)期的最小脈沖寬度的一半。

圖12 窄脈沖觸發(fā)器輕松捕獲了74LS74觸發(fā)器輸出上的低幅度窄脈沖

不僅僅是在觸發(fā)器的輸出上出現(xiàn)了間歇性故障，一些故障還表現(xiàn)出低幅度。圖12顯示了一個(gè)窄脈沖觸發(fā)器捕獲到的低幅度脈沖，這些脈沖不符合組件的規(guī)范。

圖13 在74LVCG74觸發(fā)器上的建立時(shí)間違規(guī)觸發(fā)的光標(biāo)測量

使用這些觸發(fā)設(shè)置中的任何一個(gè)，您都可以捕獲輸入和輸出信號(hào)。圖13顯示了使用光標(biāo)進(jìn)行的建立時(shí)間測量，清晰地指示了建立時(shí)間違規(guī)（大約6ns，遠(yuǎn)低于20ns的最小值）。混合信號(hào)示波器結(jié)合了基本的邏輯分析儀功能和示波器的模擬信號(hào)分析功能。

Tektronix MSO和MDO系列包括建立和保持時(shí)間觸發(fā)、脈沖觸發(fā)以及高分辨率數(shù)字采樣，以便于快速數(shù)字調(diào)試。