混合信號測試解決方案

簡介

        當(dāng)前電子產(chǎn)品的復(fù)雜性正隨著數(shù)字電路和串行總線越來越多而提高，確定最優(yōu)測試設(shè)備的邊界正變得模糊。工程師正在處理“混合信號”設(shè)計，其中包含模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的重要組合。

        設(shè)計人員日益希望可以在一臺儀器中實現(xiàn)模擬域和數(shù)字域時間相關(guān)的設(shè)備。傳統(tǒng)上，混合信號分析使用獨立式示波器和邏輯分析儀完成，這種解決方案需要兩臺設(shè)備，因此并不實用，很難獲得最佳效果。模擬波形和數(shù)字波形相關(guān)的需求導(dǎo)致了混合信號示波器的研制。

        示波器、混合信號示波器和邏輯分析儀之間有許多類似之處和差別。為了更好地了解這些儀器怎樣滿足各自的應(yīng)用需求，我們有必要更詳細(xì)地考察一下其各自的功能。

數(shù)字示波器
       
        數(shù)字示波器是世界各地電子工程師使用的首選工具。設(shè)計人員對其操作方式滿懷信心，并信任其測量結(jié)果。示波器的高采樣速率和帶寬使其能夠捕獲感興趣信號的高分辨率視圖。示波器為顯示和測量各類電信號的模擬特點提供了理想的解決方案。示波器一般有兩條或四條輸入通道，可以對少量的模擬信號、數(shù)字信號和串行信號實現(xiàn)時間相關(guān)。

圖1  使用泰克TDS3000B系列示波器調(diào)試模擬信號

數(shù)字示波器應(yīng)用

        數(shù)字示波器應(yīng)用廣泛，包括：測量信號幅度和時序參數(shù)；測量信號邊沿和電壓，評估時序余量；測量電流；檢測瞬態(tài)問題，如毛刺、欠幅脈沖、亞穩(wěn)定跳變信號；檢定信號完整性。

圖2  泰克DPO4000系列示波器調(diào)試串行信號

邏輯分析儀

        邏輯分析儀為檢驗和調(diào)試復(fù)雜的數(shù)字電路提供了理想的工具。邏輯分析儀和示波器之間最明顯的差異是通道數(shù)量。邏輯分析儀的通道數(shù)量在34條到幾百條、甚至幾千條之間，而典型示波器只有2～4條通道。

        一個更本質(zhì)的差別是邏輯分析儀采集信號的方式不同于示波器。示波器一般使用8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對信號采樣，在示波器顯示屏上真實地復(fù)現(xiàn)信號及其所有細(xì)微的模擬特點。邏輯分析儀則只是把輸入信號與用戶自定義門限進(jìn)行比較。如果信號大于門限，那么把它視為邏輯1；如果信號低于門限，那么把它視為邏輯0。由于采集方法具有本質(zhì)差別，因此同一個脈沖會以不同的方式顯示，如圖3所示。

        示波器和邏輯分析儀之間的另一個差別是觸發(fā)。示波器提供了以分離異常模擬特點(毛刺、欠幅脈沖、轉(zhuǎn)換速率等)為重點的基本觸發(fā)模式以及基本數(shù)字條件，如建立時間/保持時間違規(guī)或在兩條或四條輸入通道上定義的一個邏輯碼型。邏輯分析儀則提供了廣泛的邏輯資源，如各種字比較器、計數(shù)器和定時器，用戶可以定義復(fù)雜的多狀態(tài)IF-THEN-ELSE型觸發(fā)，在復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境中分離問題。邏輯分析儀還擁有全面的一系列微處理器支持套件。這些套件一般會提供硬件單元和軟件單元。硬件與前端的微處理器總線建立物理連接，軟件則把采集反匯編成可讀的軟件執(zhí)行。

        邏輯分析儀的另一個優(yōu)勢是它能夠在一臺儀器上監(jiān)測與時間相關(guān)多條系統(tǒng)總線。例如，設(shè)計人員可能想追蹤前端總線的軟件執(zhí)行情況，同時讀寫存儲器。邏輯分析儀的擴(kuò)展能力使其成為要求廣泛的查看能力、高級觸發(fā)和軟件分析的復(fù)雜應(yīng)用的理想選擇。

圖3  邏輯分析議和示波器上的波形顯示畫面

邏輯分析儀應(yīng)用

        邏輯分析儀應(yīng)用的應(yīng)用包括：廣泛的多通道檢驗數(shù)字系統(tǒng)操作；需要高級多狀態(tài)觸發(fā)，分離問題；追蹤軟件執(zhí)行；系統(tǒng)時序驗證；系統(tǒng)余量測試；高速存儲器應(yīng)用。

帶有示波器模塊的邏輯分析儀

        為提供真正的混合信號解決方案，業(yè)內(nèi)率先進(jìn)行的嘗試是為邏輯分析儀創(chuàng)建數(shù)字示波器模塊。這些模塊直接插入邏輯分析儀中，提供示波器功能。示波器的采集與邏輯分析儀顯示屏上的數(shù)字通道實現(xiàn)時間相關(guān)。

        但是，這些示波器模塊有自己的局限性。由于它們是邏輯分析儀的一部分，因此其主要是單次采集設(shè)備，而不同于實時操作的獨立式示波器。它們的成本很高，缺少獨立式示波器的性能，沒有提供熟悉的示波器用戶界面。最后，由于它們集成到邏輯分析儀中，因此不適合示波器完成日常調(diào)試任務(wù)的一般用途。

圖4  泰克TLA邏輯分析議上連接的源代碼

帶有示波器模塊的邏輯分析儀應(yīng)用

        應(yīng)用領(lǐng)域包括：模擬和數(shù)字混合設(shè)計；模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器；測量數(shù)字信號質(zhì)量；模擬事件和數(shù)字事件時間相關(guān)；系統(tǒng)開機(jī)特點。

邏輯分析儀與臺式示波器一起使用

        幾乎在每個工程設(shè)計實驗室中都能找到示波器，它們特別適合要求以高分辨率查看信號模擬特點的應(yīng)用。在要求廣泛觀測系統(tǒng)總線活動的應(yīng)用中，示波器通常未能提供足夠的通道數(shù)量，在這種情況下通常會使用邏輯分析儀。

        在需要同時采集多條數(shù)字通道、獲得高分辨率模擬信號時，工程師該怎么做呢？當(dāng)前復(fù)雜問題的混合信號特點通常要求設(shè)計人員同時查看模擬信號和數(shù)字信號，這要求同時使用示波器和邏輯分析儀。

        使用兩臺儀器的這種解決方案的優(yōu)勢之一是性能。隨著設(shè)計余量下降，信號的模擬特點正日益影響著設(shè)計的完整性。設(shè)計人員必需同時測量設(shè)計中高速數(shù)字信號和模擬信號的特點。PCI Express、HyperTransport和DDR等技術(shù)都帶來了測量挑戰(zhàn)?？偩€速度對集成示波器模塊的邏輯分析儀來說太快了。

        但是，高性能臺式示波器為這些應(yīng)用提供了理想選擇。在認(rèn)識到設(shè)計人員需要把臺式示波器上采集的數(shù)據(jù)與邏輯分析儀上捕獲的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來后，泰克研制出iView (集成式視圖)。

        iView集成、并對臺式泰克示波器和邏輯分析儀的數(shù)據(jù)自動實現(xiàn)時間相關(guān)。示波器上采集的數(shù)據(jù)傳送到邏輯分析儀上，提供了時間相關(guān)顯示畫面。與前面討論的集成示波器的解決方案不同，iView可以結(jié)合使用任何泰克示波器與邏輯分析儀。這種兩臺儀器集成在一起的解決方案提供了邏輯分析儀和示波器的全部處理能力，其工作方式就像一臺儀器一樣。iView的優(yōu)勢在于把儀器的性能和價格與相應(yīng)的應(yīng)用對應(yīng)起來。

邏輯分析儀與臺式示波器一起使用的應(yīng)用

        應(yīng)用包括：數(shù)字和高速信號；低速串行信號；存儲器設(shè)計和驗證；系統(tǒng)設(shè)計驗證；服務(wù)器設(shè)計；高速互連驗證；微處理器前端總線分析；圖像電路。

混合信號示波器

        示波器是絕大部分混合信號設(shè)計人員的首選工具。但是，傳統(tǒng)2通道和4通道數(shù)字示波器通常不足以解決當(dāng)前的混合信號問題?？匆幌履?shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這些設(shè)備廣泛用于各種嵌入式設(shè)備中，從MP3播放器直到汽車。如果設(shè)計人員想分析模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入，同時監(jiān)測8位輸出，那么示波器的通道數(shù)量就會不足。我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己會想“如果示波器有更多的通道多好”。

        混合信號示波器(也稱為MSO)采用與傳統(tǒng)示波器相同的外型和用戶界面。通過集成基本邏輯分析儀功能，示波器針對混合信號分析進(jìn)行了增強。MSO的工作方式類似于示波器，但增加了16條數(shù)字通道。

混合信號示波器提供了您已經(jīng)知道怎樣使用的工具

        您是否經(jīng)常聽見有人說：“我已經(jīng)煩透了，我每次使用這臺設(shè)備時都要翻使用手冊”?；旌闲盘柺静ㄆ鞯墓ぷ鞣绞礁愃朴谑静ㄆ?。但是，與示波器不同，MSO提供了16條數(shù)字通道?；旌闲盘柺静ㄆ鞯暮唵涡院托в檬蛊涑蔀閷嶒炇业睦硐雰x器。它們使用簡單，設(shè)置簡便。這并不是說MSO不能提供全面的一系列強大的功能，它們的工作方式與當(dāng)前示波器類似。Autoset等功能可以自動定位模擬波形和數(shù)字波形，并為其設(shè)置適當(dāng)?shù)臉?biāo)度系數(shù)。所有菜單保持相同，但現(xiàn)在通道選項中增加了16條數(shù)字通道。示波器和16條數(shù)字通道的緊密集成，為嵌入式設(shè)計提供了優(yōu)秀的全內(nèi)置工具。

圖5  使用一臺儀器－MSO4000系列采集的模擬波形和數(shù)字波形

圖6  MSO4000系列上同時解碼的并行和SPI串行總線顯示畫面

混合信號示波器讓用戶更安心

        對許多設(shè)計人員來說，混合信號示波器提供了一種數(shù)字保險。您大可以安心，因為在您的應(yīng)用需要時，您可以提供四條以上的通道。

混合信號示波器：理想的混合信號測試工具

        混合信號示波器是一種不同于任何其他儀器的工具。您可以在一臺便攜式儀器中，同時獲得一臺高性能便攜式示波器和一臺基本邏輯分析儀。模擬和數(shù)字的緊密集成，使其可以在同一臺儀器中同時顯示、觸發(fā)和分析這兩類信號。

        與邏輯分析儀混合信號解決方案不同，混合信號示波器實時運行，可以連續(xù)更新模擬波形和數(shù)字波形。您是否經(jīng)?？吹绞褂眠壿嫹治鰞x看不到的信號？您馬上會想到要使用示波器檢驗這些信號。有了MSO，如果事件與預(yù)期不符，您可以隨時使用模擬通道查看這些事件。

        使混合信號示波器成為混合信號設(shè)計理想工具的另一個特點是它們能夠觸發(fā)串行總線。與主要重點是并行總線的邏輯分析儀不同，MSO可以觸發(fā)和解碼I2C、SPI、RS-232和CAN之類的總線。這與MSO的并行總線觸發(fā)相結(jié)合，將使設(shè)計中的漏洞無處可逃。

混合信號示波器應(yīng)用

        混合信號示波器應(yīng)用非常廣泛，包括：嵌入式設(shè)計和檢驗；系統(tǒng)工程設(shè)計；串行調(diào)試；模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器調(diào)試；FPGA設(shè)計和檢驗；汽車。

為混合信號應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ?br />
        選擇適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)備在很大程度上取決于應(yīng)用。表1根據(jù)常見的用戶需求，列出了每種產(chǎn)品解決方案的主要特點，幫助您確定適合自己的儀器類型。

小結(jié)

        混合信號應(yīng)用的解決方案因特定應(yīng)用而變化。非常重要的一點是分析自己的測量需求，確保選擇的解決方案足以解決問題。每個混合信號解決方案都有類似之處和差別及各自的優(yōu)缺點。在某些情況下，您可能會發(fā)現(xiàn)需要一種以上的混合信號解決方案來滿足需求。很好地平衡當(dāng)前測量需求與測量解決方案的各種功能，將保證產(chǎn)品設(shè)計的成功。