詳解:如何用混合信號示波器探測模擬和數位訊號

許多基於微控制器的系統都有模擬和數位訊號。即使看起來是完全數字的系統也不完全是數字的，因為存在振鈴和串擾等模擬效應。因此，對系統中的信號通常需要同時持有模擬和數字的視角。這正是混合信號示波器(MSO)可以幫助到你的地方。

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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個數字通道，它們最適合用於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、模數轉換器(ADC)輸入和數模轉換器(DAC)輸出等模擬信號，也有並行和串行的數位訊號。並行數位訊號包括CPU和GPIO接口的數字和地址線。乙太網、SATA、PCIe、SPI、I2C和UART等接口則是高速和低速串行數據信號。混合信號示波器可以讓你在模擬或數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，有助於發現問題。通過從模擬、數字或兩者結合的觸發還有助於診斷。這些採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據，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並行數位化數據圖案。

圖1：包含模擬(綠色)、數字(紅色)和串行數據(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。

比較模擬和數字

數字示波器中的模擬波形是將採集到的信號表示為一系列採樣點。這些採樣點是以示波器的採樣速率獲取的，並用示波器中的模數轉換器(ADC)位數設定的幅度解析度進行了數位化。現代高頻示波器具有8位(256個等級)到12位(4096個等級)的ADC解析度。

混合信號示波器中的數字軌跡代表一個比特，是以數字採樣率採樣的。幅度基本上從0到1變化，依據的是比預設的邏輯閾值(許多混合信號示波器為多種系列邏輯器件提供預設的邏輯電平)高還是低，它們代表了數字輸入的狀態。圖2顯示了模擬軌跡(底部)和數字軌跡(頂部)的比較。

圖2：數字軌跡(頂部)和模擬波形的比較。數字軌跡幅度用1或0表示，判斷依據是數字輸入端的電壓是高於還是低於用戶設定的邏輯閾值。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生的電壓微小變化。你可以看到諸如脈衝上衝和振鈴等現象。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。(在數字1描述塊中的)數字軌跡光標讀取功能則報告和1的幅度。記住，數字軌跡只顯示數字線的狀態，只有0和1兩個值。

當顯示多根數字線時，你通常可以選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)，它用十六進位計數方式顯示了所有數字線的總值。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多根數字線.總線形式顯示了十六進位計數的所有8根線總數。D0是最低位，D7是最高位。典型的測量工具包括將數字線作為源的光標和定時參數，如圖中所示。

你可以將示波器的參數測量工具應用於任何一種信號類型，但對數字軌跡的測量被限制為與時間相關的測量，如周期、寬度、佔空比和延時。這些參數與更為常見的模擬波形參數一樣可以作為趨勢(按先後順序繪製參數值)、跟蹤(繪製時間上與源軌跡同步的參數值)和直方圖分析工具的依據。圖3顯示了基於所示數字線的8個參數(P1-P8)。

數字設計的查錯

下面的例子展示了可以用混合信號示波器實現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觸發器，以時鐘上升沿觸發。數字線D0連接到觸發器的數據輸入端(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。Q輸出(D2)的周期和寬度用參數P1和P2進行測量。示波器的時基被設為採集大約5000個時鐘脈衝。

圖4：使用D2周期的蹤跡定位採集記錄中的長周期。縮放最大周期可以方便地觀察數字和模擬軌跡中的細節。

參數統計表明，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，顯示在數字顯示器下方的左上側柵格中。這個軌跡顯示了作為與源軌跡在時間上同步的函數的D2周期。光標標識了蹤跡指示、並且周期值增加的點。所有軌跡都經過縮放處於最大Q輸出周期的位置，縮放後的軌跡顯示在顯示器的右側。

代表錯誤時鐘觸發的數據信號的長周期顯示在右上柵格中的數字軌跡中。軌跡Z4中也顯示了模擬軌跡C4的縮放結果。參數P3測量的是數據C1和時鐘C3之間的建立時間。統計結果再次表明，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生的。

這是發現此類問題的一種方法。另外一種方法是使用被稱為WaveScan的示波器內置搜索工具，如圖5所示。注意，大多數混合信號示波器都具有某種形式的搜索工具。

圖5：使用WaveScan並通過在D2上搜索超過標稱208ns的周期測量值來尋找異常點的設置。

搜索工具可以在很長的記錄中搜索，尋找邊沿、不穩定邊沿、超短幀、串行數據圖案、並行(總線)數據圖案或測量數據。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，它會停止採集，顯示數字源軌跡，並對源軌跡進行縮放。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。一旦發現問題，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條數字軌跡，數量要比模擬通道多。在圖6中，8條數字軌跡記錄了兩個級聯的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生器的核心電路。首先需要注意，軌跡標籤是定製過的，用於反應電路中的功能。我們能夠看到時鐘和串行數據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(從頂部數第二個)。

參數P1使用選通延時參數測量串行輸入軌跡上從觸發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。將參數公式用於P3計算這兩個邊沿之間的時間差，結果是515.3μs。參數P4測量時鐘周期。P5中的參數公式用於將時鐘周期乘以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字軌跡功能可以用來採集來自I2C、SPI和其它低頻串行標準的串行數據，如圖7所示。這裡的D0包含SPI數據，D1是SPI時鐘信號。解碼器將這些波形用作源軌跡，以便解碼數據內容，並用藍色軌跡覆蓋層和隨附表格顯示出來。解碼數據可以用ASCII、二進位或16進位顯示。表格也列出了相對於觸發器的數據包位置，以及每個解碼出的字節的比特率。

圖7：將數字軌跡用作SPI解碼器的源。採用16進位格式的數據內容顯示在藍色覆蓋層和隨附表格中。

總結

混合信號示波器可以向用戶提供比傳統數字示波器更多的功能。用戶可以同時觀察多達16根數位訊號線，並且可以與多達4個模擬波形保持同步。數字軌跡可以用光標或所選的測量參數進行測量。對數字線還可以應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字狀態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於詳細的物理層分析。