詳解：如何用混合信號(hào)示波器探測(cè)模擬和數(shù)字信號(hào)

許多基于微控制器的系統(tǒng)都有模擬和數(shù)字信號(hào)。即使看起來(lái)是完全數(shù)字的系統(tǒng)也不完全是數(shù)字的，因?yàn)榇嬖谡疋徍痛當(dāng)_等模擬效應(yīng)。因此，對(duì)系統(tǒng)中的信號(hào)通常需要同時(shí)持有模擬和數(shù)字的視角。這正是混合信號(hào)示波器(MSO)可以幫助到你的地方。

混合信號(hào)示波器同時(shí)具有示波器的功能和邏輯分析儀的部分功能。最常見(jiàn)的混合信號(hào)示波器配置有4個(gè)模擬通道和16個(gè)數(shù)字通道，它們最適合用于嵌入式微處理器板的查錯(cuò)。

圖1所示的處理器板框圖包含諸如電源、時(shí)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(hào)，也有并行和串行的數(shù)字信號(hào)。并行數(shù)字信號(hào)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(hào)?；旌闲盘?hào)示波器可以讓你在模擬或數(shù)字域中同時(shí)觀察這些信號(hào)。兩個(gè)域中的顯示都是時(shí)間上同步的，有助于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)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(cè)量與分析工具進(jìn)行補(bǔ)充。不管是哪個(gè)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(lán)色)信號(hào)的嵌入式微處理器板例子?；旌闲盘?hào)示波器提供了單臺(tái)儀器就能測(cè)量和查錯(cuò)所有這些類型信號(hào)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(hào)表示為一系列采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)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(jìn)行了數(shù)字化?，F(xiàn)代高頻示波器具有8位(256個(gè)等級(jí))到12位(4096個(gè)等級(jí))的ADC分辨率。

混合信號(hào)示波器中的數(shù)字軌跡代表一個(gè)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(hào)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(gè)(12位)幅度等級(jí)中的任意一個(gè)。

模擬軌跡可以顯示隨時(shí)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(jiàn)的光標(biāo)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(biāo)讀取功能則報(bào)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(gè)值。

當(dāng)顯示多根數(shù)字線時(shí)，你通?？梢赃x擇用一根線單獨(dú)觀察、捆綁成總線觀察或兩種觀察同時(shí)進(jìn)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(shí)顯示在畫(huà)面上(底部軌跡)，它用十六進(jìn)制計(jì)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(jìn)制計(jì)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(cè)量工具包括將數(shù)字線作為源的光標(biāo)和定時(shí)參數(shù)，如圖中所示。

你可以將示波器的參數(shù)測(cè)量工具應(yīng)用于任何一種信號(hào)類型，但對(duì)數(shù)字軌跡的測(cè)量被限制為與時(shí)間相關(guān)的測(cè)量，如周期、寬度、占空比和延時(shí)。這些參數(shù)與更為常見(jiàn)的模擬波形參數(shù)一樣可以作為趨勢(shì)(按先后順序繪制參數(shù)值)、跟蹤(繪制時(shí)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(gè)參數(shù)(P1-P8)。

數(shù)字設(shè)計(jì)的查錯(cuò)

下面的例子展示了可以用混合信號(hào)示波器實(shí)現(xiàn)的一些基本診斷方法。第一個(gè)案例中研究的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器，以時(shí)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(shí)鐘，D2顯示的是Q輸出。與此同時(shí)，模擬通道C1、C3和C4分別連接到相同的點(diǎn)。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(jìn)行測(cè)量。示波器的時(shí)基被設(shè)為采集大約5000個(gè)時(shí)鐘脈沖。

圖4：使用D2周期的蹤跡定位采集記錄中的長(zhǎng)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(xì)節(jié)。

參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，周期的平均值為208ns，最大值是416ns，這意味著輸出沒(méi)有保持期望的周期。蹤跡F1是周期測(cè)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(gè)軌跡顯示了作為與源軌跡在時(shí)間上同步的函數(shù)的D2周期。光標(biāo)標(biāo)識(shí)了蹤跡指示、并且周期值增加的點(diǎn)。所有軌跡都經(jīng)過(guò)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(cuò)誤時(shí)鐘觸發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)的長(zhǎng)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(cè)量的是數(shù)據(jù)C1和時(shí)鐘C3之間的建立時(shí)間。統(tǒng)計(jì)結(jié)果再次表明，最小建立時(shí)間要比標(biāo)稱值短20%。F2中的建立時(shí)間蹤跡顯示，這個(gè)縮短的建立時(shí)間是與擴(kuò)展周期同步發(fā)生的。

這是發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)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(hào)示波器都具有某種形式的搜索工具。

圖5：使用WaveScan并通過(guò)在D2上搜索超過(guò)標(biāo)稱208ns的周期測(cè)量值來(lái)尋找異常點(diǎn)的設(shè)置。

搜索工具可以在很長(zhǎng)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(cè)量數(shù)據(jù)。在本例中，我們搜索在D3上測(cè)得的超過(guò)250ns的周期。當(dāng)滿足這種條件時(shí)，它會(huì)停止采集，顯示數(shù)字源軌跡，并對(duì)源軌跡進(jìn)行縮放。異常情況用紅色高亮顯示，測(cè)量到的異常值顯示在相鄰的表中。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，模擬軌跡將被打開(kāi)，以便觀察引起問(wèn)題的物理層問(wèn)題，就像我們以前做的那樣。

混合信號(hào)示波器可以讓你觀察多達(dá)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(gè)級(jí)聯(lián)的8位移位寄存器的工作過(guò)程，這些移位寄存器是偽隨機(jī)二元序列發(fā)生器的核心電路。首先需要注意，軌跡標(biāo)簽是定制過(guò)的，用于反應(yīng)電路中的功能。我們能夠看到時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)輸入以及來(lái)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(guò)從串行輸入軌跡開(kāi)始的所有16級(jí)電路傳播的“長(zhǎng)-短”圖案(從頂部數(shù)第二個(gè))。

參數(shù)P1使用選通延時(shí)參數(shù)測(cè)量串行輸入軌跡上從觸發(fā)器開(kāi)始到圖案末端下降沿的時(shí)間。對(duì)Q6-A軌跡上的那個(gè)邊沿做類似的測(cè)量。將參數(shù)公式用于P3計(jì)算這兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間差，結(jié)果是515.3μs。參數(shù)P4測(cè)量時(shí)鐘周期。P5中的參數(shù)公式用于將時(shí)鐘周期乘以6，以驗(yàn)證從串行輸入到Q6-A的期望延時(shí)，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(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。通過(guò)類似的方式還可以驗(yàn)證所有16級(jí)電路的正確傳播延時(shí)。

圖6：驗(yàn)證一個(gè)雙8位串行移位寄存器的正確傳播延時(shí)。

混合信號(hào)示波器的數(shù)字軌跡功能可以用來(lái)采集來(lái)自I2C、SPI和其它低頻串行標(biāo)準(zhǔn)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(shí)鐘信號(hào)。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(lán)色軌跡覆蓋層和隨附表格顯示出來(lái)。解碼數(shù)據(jù)可以用ASCII、二進(jìn)制或16進(jìn)制顯示。表格也列出了相對(duì)于觸發(fā)器的數(shù)據(jù)包位置，以及每個(gè)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(jìn)制格式的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在藍(lán)色覆蓋層和隨附表格中。

總結(jié)

混合信號(hào)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(shí)觀察多達(dá)16根數(shù)字信號(hào)線，并且可以與多達(dá)4個(gè)模擬波形保持同步。數(shù)字軌跡可以用光標(biāo)或所選的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)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(hào)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(jiǎn)單，不要求額外的平臺(tái)空間。在同一臺(tái)儀器中的模擬通道可以在遇到問(wèn)題時(shí)用于詳細(xì)的物理層分析。