模擬與數(shù)字電路使用混合信號(hào)來驗(yàn)證和測量

如今，無論是在計(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，而象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)帶來了強(qiáng)大的靈活性，但同時(shí)也給調(diào)試和測試帶來了復(fù)雜性：

１、模擬信號(hào)的測試和驗(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)證和測試，尤其是需要驗(yàn)證控制信號(hào)有無在正確的時(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（如過沖、振鈴等），需要進(jìn)行信號(hào)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,CA

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

安捷倫近年來一直致力于混合電路測試技術(shù)的研究，從而開發(fā)了混合信號(hào)示波器，該儀器與專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的功能類似：

１、廣角鏡頭能捕獲全方位的景色，拍下突發(fā)事件時(shí)，也清楚地記錄下周圍人物和環(huán)境?；旌闲盘?hào)示波器（MSO）可全方位捕獲模擬和數(shù)字信號(hào)多達(dá)18路和20路，判知異常信號(hào)和其他多路數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)有沒有關(guān)系。

２、800萬CCD,一次成像，不僅可記下全景，而且可以對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行放大而不失真。對(duì)應(yīng)混合信號(hào)示波器（MSO）,標(biāo)準(zhǔn)配置的快響應(yīng)深存儲(chǔ)，可在一個(gè)屏幕上同時(shí)捕獲或顯示多達(dá)18或20個(gè)通道，對(duì)每一路的信號(hào)都是深度捕獲，存儲(chǔ)深度可達(dá)8MB,因此可放大幾萬倍來觀察和分析細(xì)節(jié)。

自動(dòng)快速對(duì)焦，讓相機(jī)和所拍攝物迅速同步完成對(duì)焦。對(duì)應(yīng)混合信號(hào)示波器的靈活觸發(fā)功能可以讓你把混合信號(hào)示波器（MSO)和被測對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)同步起來，比如，可與I2C,SPI等串行總線的協(xié)議同步，可與SDRAM控制命令，PCI總線命令，LCD驅(qū)動(dòng)電路命令等同步。

下面我們來看一下混合信號(hào)示波器（MSO）到底是一種什么樣的測試儀器：

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）來說是不可能的，因?yàn)樗麤]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，反過來講，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)量是否過關(guān)，而這對(duì)混合信號(hào)示波器來講，則是再簡單不過的事，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，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，來判斷，兩個(gè)器件是否透過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，混合信號(hào)示波器能先將串行總線的協(xié)議先解出來，然后再與之同步。

四、上面說的是無論針對(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)分開來，即使是單次采集，也沒有問題，而且還可以對(duì)這些異常的亮點(diǎn)進(jìn)行放大來觀察，測量和分析，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。您可具體測量該異常的時(shí)間和幅值信息。