原创 模拟与数字电路使用混合信号来验证和测量

如今，无论是在计算机领域，通信领域还是消费电子领域，当我们随手拿来一块电路板时，都会发现其中所使用的器件是多种多样的，往往是混合了模拟器件和数字器件，模拟部分包括光、声、音、温度、压力等现实世界物理信号、电源信号、视频信号、AM/FM等调制信号等，数字部分则包括单片机，微处理器，可编程逻辑器件，DSP等，而象ADC，DAC,某些单片机等则集模拟信号和数字信号于一个器件上。这样的混合结构给我们的设计带来了强大的灵活性，但同时也给调试和测试带来了复杂性：
１、模拟信号的测试和验证需要仍然存在，但同时存在很多路的数字信号需要进行同时显示，验证和测试，尤其是需要验证控制信号有无在正确的时间，正确的控制相关的信号。
２、孤立信号越来越少，多路信号的关联性调试和验证在很多情况下是必须的，而模拟信号的速度往往低于数字信号，要求仪器在捕获一个慢信号完整周期的同时，还能支持很高的采样率，这就要求仪器有很深的存储深度和很多个通道，价位还可要可以被接受。
３、高速数字信号本身呈现模拟特征（如过冲、振铃等），需要进行信号完整性测试。
４、不同器件或芯片间的通信大量使用串行总线，如I2C,SPI,CAN,LIN,USB,SATA,PCI-E等，仪器要和串行通信协议同步才能更好的调试验证电路。
５、BGA等特殊封装形式使得很多信号无法直接测量，可编程器件的使用使得很多关键信号没有在管脚处引出。
　　安捷伦近年来一直致力于混合电路测试技术的研究，从而开发了混合信号示波器，该仪器与专业数码相机的功能类似：
１、广角镜头能捕获全方位的景色，拍下突发事件时，也清楚地记录下周围人物和环境。混合信号示波器（MSO）可全方位捕获模拟和数字信号多达18路和20路，判知异常信号和其他多路数字信号或模拟信号有没有关系。
２、800万CCD,一次成像，不仅可记下全景，而且可以对局部细节进行放大而不失真。对应混合信号示波器（MSO）,标准配置的快响应深存储，可在一个屏幕上同时捕获或显示多达18或20个通道，对每一路的信号都是深度捕获，存储深度可达8MB,因此可放大几万倍来观察和分析细节。
　　自动快速对焦，让相机和所拍摄物迅速同步完成对焦。对应混合信号示波器的灵活触发功能可以让你把混合信号示波器（MSO)和被测对象的运行状态同步起来，比如，可与I2C,SPI等串行总线的协议同步，可与SDRAM控制命令，PCI总线命令，LCD驱动电路命令等同步。
　　下面我们来看一下混合信号示波器（MSO）到底是一种什么样的测试仪器：
一、由于混合信号电路本身的复杂性，即使您只需要观察一路信号的质量，数字示波器和模拟示波器也无法完成，比如，当你需要观察DDR SDRAM的某根数据线信号质量时，眼图分析是常用的手段，在分析时，示波器要首先和DDR SDRAM的读写操作同步，根据DDR SDRAM的命令（参见下表），这需要占用五个通道分别连接到RAS,CAS,CS,WE,CLK信号上，同时再使用另外一个通道来观察你所关心的数据信号眼图，结果如下图所示，混合信号示波器（MSO）轻松获取DDR SDRAM的连续８个读操作（８个眼图），这对于普通数字存储示波器（DSO）来说是不可能的，因为他没有足够多的通道锁定SDRAM的操作，（为让整个显示更加清楚，我们故意没有显示那５路作触发用的信号）。
二、混合信号示波器解决的另一个难题是，数字存储示波器（DSO）或模拟示波器，可以判别信号是否正常，却不能告诉你信号是在什么时候变得不正常，反过来讲，它不能帮助你验证在电路特定的运作状态下，关键信号的质量是否过关，而这对混合信号示波器来讲，则是再简单不过的事，如下图所示，安捷伦的研发工程师用混合信号示波器，发现其PCI总线数采插卡在DMA控制器将总线控制权交回CPU后，内部的固化软件偶尔会跑飞，根本原因是这时时钟会出现不应该的幅值跌落，导致电路误认为新的时钟周期到来，从而产生误动作，据此，工程师又进一步发现导致该幅值跌落的原因，从而解决了问题。使用时，只需注意把控制信号连接到逻辑通道上，根据PCI总线命令设定触发条件即可。
三、上面的功能，实质上是混合信号示波器可以与并行总线的控制命令相同步，混合信号示波器可以解决的第三个难题是，与串行总线同步，比如，I2C仅由两根线（时钟线SCL,数据线SDA）组成，如何判断和验证电路可以正确的完成某个地址（如0x50），读出某个数据（如0x50），混合信号示波器（如MSO6054A）完全可以根据I2C的协议，来判断，两个器件是否透过I2C总线完成通信，对于其他总线，如SPI,CAN也是同样的方法，也就是说，混合信号示波器能先将串行总线的协议先解出来，然后再与之同步。
四、上面说的是无论针对并行总线还是串行总线，混合信号示波器都可以做到与其命令或协议同步调试，混合信号示波器解决的第四个难题是对捕获的深存储数据的直接高清晰显示处理，如下图所示，脉宽调制（PWM）信号中偶尔会出现异常信号，混合信号示波器（MSO)可直接以亮点或其他醒目的形式将异常信号和深存储器中其他信号直接区分开来，即使是单次采集，也没有问题，而且还可以对这些异常的亮点进行放大来观察，测量和分析，如下图，对其中一个亮点进行放大后，发现该异常是正脉冲末尾处有一短暂的幅值跌落。您可具体测量该异常的时间和幅值信息。
五、对于BGA等特殊封装形式以及使用FPGA的电路，本身电路可测的管脚不是很多，18个或20个通道往往已是不错，而且FPGA的供应商提供的开发工具，往往引出的管脚也是有限的，若您使用的是Xilinx公司提供的芯片，安捷伦的FPGA动态探头，配合混合信号示波器使用，可以同时观察FPGA内部节点和外围信号的互动情况。
　　目前被大量使用的数字示波器大都是２通道或４通道，当有大量数字信号需要被调试时，条件好的工程师会借助于逻辑分析仪，但孤立的使用逻辑分析仪或数字示波器对混合信号电路的调试效率往往是很低的，比如，很多时候，电路中的关键握手活动或特定任务执行的验证往往牵扯到模拟信号和多路数字信号必须在某个时间段内按一定时序出现，因此，你需要把示波器逻辑分析仪器同步起来一起使用，目前的方案有：
１、在逻辑分析系统中允许使用示波器模块；
２、使用时间相关夹具同步两台仪器，并让其中一台仪器的光标移动时，另一台仪器的光标也跟着移动（即光标联动功能）。
　　与混合信号示波器方案相比，上述两个方案都适合于可以将数十路甚至上百路信号测试点都引出来的电路，优点是其逻辑分析功能非常完善和强大，可以做反汇编，甚至高级源代码相关分析。缺陷是对只能引出十几个被测点的电路，显然有点大材小用，而且价格比较昂贵，使用起来较混合信号示波器复杂，尤其是使用时间相关夹具的第二种方案，若想将示波器的数据传输到逻辑分析仪的屏幕上和数字通道一起显示，屏幕刷新率会很慢，比如，示波器若是每通道4M样点的存储深度，将示波器的四个通道的数据传递到逻辑分析仪器上显示一次有可能需要１分钟时间，对于上面举的PCI总线数采插卡的例子，必须将示波器设置成无限余辉的方式，才能发现偶发的时钟信号幅值跌落情况，若屏幕刷新率很慢，是难以用来解决该问题的，对于观察DDR SDRAM信号眼图，也是如此，当然，你可以让两台仪器各自显示各自的波形，这样不影响示波器的波形刷新率，但观察多路混合信号就不太直观。而且有些厂家的时间相关夹具不支持光标联动功能，使用起来，就更不方便了。
　　对于上面提到的让仪器与串行信号的协议同步，然后调试，如对I2C,SPI等常见总线，即使你使用功能强大的逻辑分析仪加上示波器和时间相关夹具也很难实现。
　　对于PWM等复杂信号中的异常，很多示波器也有高清晰显示技术，但支持单次采集的高清晰显示技术，目前只有安捷伦能提供。
　　对于管理者来讲，实现投资利用率的最大化是非常重要的，对应仪器的投资利用率，我们可以从两方面来看，一是利用率，二是使用率，很显然，混合信号示波器作为示波器的一种，其价格和同类数字存储示波器相差无几，其利用率远高于逻辑分析仪器，也因其支持额外的逻辑通道，以前用不起逻辑分析仪的用户也可以高效的调试电路；混合信号示波器因其容易使用，您可能会将其80％的功能全部发挥出来，解决你80％的问题。而逻辑分析加示波器的方案，因操作复杂和数量有限（价格贵，不可能拥有很多），使用效率和使用率都会较低。
　　由于混合信号示波器（MSO）是根据模拟和数字混合信号电路的特征和测试需求研发出来的产品，而且其价格定位适合数字存储示波器（DSO）同档次的。当今可编程逻辑器件的电路的很多测试点不能被触及或引出，几十通道的逻辑分析仪器没有充分的用武之地。在单位只有购买示波器的经费而没有逻辑分析仪器经费的情况下，混合信号示波器无疑是很好的选择，也被越来越多的设计人员所采用。