模擬與數(shù)字電路使用混合信號來驗證和測量

如今，無論是在計算機領域，通信領域還是消費電子領域，當我們隨手拿來一塊電路板時，都會發(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)實世界物理信號、電源信號、視頻信號、AM/FM等調(diào)制信號等，數(shù)字部分則包括單片機，微處理器，可編程邏輯器件，DSP等，而象ADC，DAC,某些單片機等則集模擬信號和數(shù)字信號于一個器件上。這樣的混合結構給我們的設計帶來了強大的靈活性，但同時也給調(diào)試和測試帶來了復雜性：

１、模擬信號的測試和驗證需要仍然存在，但同時存在很多路的數(shù)字信號需要進行同時顯示，驗證和測試，尤其是需要驗證控制信號有無在正確的時間，正確的控制相關的信號。

２、孤立信號越來越少，多路信號的關聯(lián)性調(diào)試和驗證在很多情況下是必須的，而模擬信號的速度往往低于數(shù)字信號，要求儀器在捕獲一個慢信號完整周期的同時，還能支持很高的采樣率，這就要求儀器有很深的存儲深度和很多個通道，價位還可要可以被接受。

３、高速數(shù)字信號本身呈現(xiàn)模擬特征（如過沖、振鈴等），需要進行信號完整性測試。

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無法直接測量，可編程器件的使用使得很多關鍵信號沒有在管腳處引出。

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

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

２、800萬CCD,一次成像，不僅可記下全景，而且可以對局部細節(jié)進行放大而不失真。對應混合信號示波器（MSO）,標準配置的快響應深存儲，可在一個屏幕上同時捕獲或顯示多達18或20個通道，對每一路的信號都是深度捕獲，存儲深度可達8MB,因此可放大幾萬倍來觀察和分析細節(jié)。

自動快速對焦，讓相機和所拍攝物迅速同步完成對焦。對應混合信號示波器的靈活觸發(fā)功能可以讓你把混合信號示波器（MSO)和被測對象的運行狀態(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驅動電路命令等同步。

下面我們來看一下混合信號示波器（MSO）到底是一種什么樣的測試儀器：

一、由于混合信號電路本身的復雜性，即使您只需要觀察一路信號的質(zhì)量，數(shù)字示波器和模擬示波器也無法完成，比如，當你需要觀察DDR SDRAM的某根數(shù)據(jù)線信號質(zhì)量時，眼圖分析是常用的手段，在分析時，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），這需要占用五個通道分別連接到RAS,CAS,CS,WE,CLK信號上，同時再使用另外一個通道來觀察你所關心的數(shù)據(jù)信號眼圖，結果如下圖所示，混合信號示波器（MSO）輕松獲取DDR SDRAM的連續(xù)８個讀操作（８個眼圖），這對于普通數(shù)字存儲示波器（DSO）來說是不可能的，因為他沒有足夠多的通道鎖定SDRAM的操作，（為讓整個顯示更加清楚，我們故意沒有顯示那５路作觸發(fā)用的信號）。

二、混合信號示波器解決的另一個難題是，數(shù)字存儲示波器（DSO）或模擬示波器，可以判別信號是否正常，卻不能告訴你信號是在什么時候變得不正常，反過來講，它不能幫助你驗證在電路特定的運作狀態(tài)下，關鍵信號的質(zhì)量是否過關，而這對混合信號示波器來講，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交回CPU后，內(nèi)部的固化軟件偶爾會跑飛，根本原因是這時時鐘會出現(xiàn)不應該的幅值跌落，導致電路誤認為新的時鐘周期到來，從而產(chǎn)生誤動作，據(jù)此，工程師又進一步發(fā)現(xiàn)導致該幅值跌落的原因，從而解決了問題。使用時，只需注意把控制信號連接到邏輯通道上，根據(jù)PCI總線命令設定觸發(fā)條件即可。

三、上面的功能，實質(zhì)上是混合信號示波器可以與并行總線的控制命令相同步，混合信號示波器可以解決的第三個難題是，與串行總線同步，比如，I2C僅由兩根線（時鐘線SCL,數(shù)據(jù)線SDA）組成，如何判斷和驗證電路可以正確的完成某個地址（如0x50），讀出某個數(shù)據(jù)（如0x50），混合信號示波器（如MSO6054A）完全可以根據(jù)I2C的協(xié)議，來判斷，兩個器件是否透過I2C總線完成通信，對于其他總線，如SPI,CAN也是同樣的方法，也就是說，混合信號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并行總線還是串行總線，混合信號示波器都可以做到與其命令或協(xié)議同步調(diào)試，混合信號示波器解決的第四個難題是對捕獲的深存儲數(shù)據(jù)的直接高清晰顯示處理，如下圖所示，脈寬調(diào)制（PWM）信號中偶爾會出現(xiàn)異常信號，混合信號示波器（MSO)可直接以亮點或其他醒目的形式將異常信號和深存儲器中其他信號直接區(qū)分開來，即使是單次采集，也沒有問題，而且還可以對這些異常的亮點進行放大來觀察，測量和分析，如下圖，對其中一個亮點進行放大后，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間和幅值信息。