調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的理想混合信號(hào)示波器DLM2000系列?

　　1. 摘要

 　　從數(shù)字家電到汽車，通過(guò)處理器和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)完美功能的嵌入式系統(tǒng)正被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。即使從系統(tǒng)輸入或輸出的信號(hào)是通過(guò)傳感器或語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器等的模擬信號(hào)，處理器處理的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。為調(diào)試此類系統(tǒng)，越來(lái)越多的行業(yè)需要解析數(shù)字信號(hào)并確認(rèn)相關(guān)動(dòng)作。

　　為滿足這種需求，橫河公司開(kāi)發(fā)了DLM2000系列混合信號(hào)示波器，它緊湊、輕便、外形美觀——293mm(高) ×226mm(寬) × 193mm(深)、4.5kg，（如圖1），同時(shí)還繼承了以往DL1000系列的外觀。DLM2000系列標(biāo)配8-bit邏輯輸入，具備先進(jìn)的波形顯示性能與波形分析功能。
 
　　產(chǎn)品名稱DLM2000表示在客戶熟悉的DL系列基礎(chǔ)上增加了混合模擬/數(shù)字系統(tǒng)分析(混合信號(hào)示波器)，即“M”代表的意義。

　　　　　　　　　　　
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖 1  DLM2000
 　　2. 概述

　　DLM2000系列數(shù)字示波器的基本特點(diǎn)有：頻率帶寬最高達(dá)500MHz、最大采樣率達(dá)2.5GS/s、存儲(chǔ)深度最高達(dá)125Mpts。
 
　　DLM2000的特有功能之一是，可以將模擬輸入通道中的一個(gè)通道(CH4)切換為8-bit邏輯輸入并顯示信號(hào)。因此，該系列既可用于傳統(tǒng)的4通道模擬輸入，也可用作混合信號(hào)示波器(由3個(gè)模擬通道和1個(gè)8-bit邏輯輸入通道組成)；4個(gè)模擬通道和8-bit邏輯輸入的組合可以作為觸發(fā)源使用。
 
　　在開(kāi)發(fā)此系列產(chǎn)品的同時(shí)，橫河公司也開(kāi)發(fā)了ScopeCORE^TM引擎(如圖2)。此引擎集以下功能于一身：1)信號(hào)處理(可以從A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)生成顯示數(shù)據(jù)，運(yùn)算各種波形和參數(shù)，執(zhí)行其他功能)；2)觸發(fā)檢測(cè)。因此，DLM與以往型號(hào)相比，體積減少了25%，功耗降低了15%。
 
　　ScopeCORE^TM引擎基于專用架構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，它提供了高波形采集速率、改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理能力和波形顯示性能。這使DLM2000混合信號(hào)示波器擁有顯示灰度級(jí)，就象一臺(tái)便攜式模擬示波器。
     

 
   　　　　　　　　　　　　　　   圖 2  ScopeCORE^TM芯片
　　3. 特有功能

　　 標(biāo)準(zhǔn)配備邏輯輸入的混合信號(hào)示波器 

　　對(duì)于數(shù)字家電或汽車控制等行業(yè)的嵌入式系統(tǒng)，“數(shù)字控制+模擬波形觀測(cè)”的要求越來(lái)越多?，F(xiàn)有4通道模擬示波器的測(cè)量通道太少，難以處理某些工程的需要。例如，連接內(nèi)部設(shè)備控制至SPI總線(3線或4線)并觀測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模擬信號(hào)；或觀測(cè)汽車引擎控制單元(ECU)中數(shù)字控制信號(hào)和內(nèi)部模擬信號(hào)之間的時(shí)序。

　　DLM2000系列標(biāo)準(zhǔn)配備了8-bit邏輯輸入，可以全力支持模擬/數(shù)字混合系統(tǒng)。 
通過(guò)ScopeCORE^TM引擎，模擬與邏輯輸入的切換在數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行。由于獲得的邏輯數(shù)據(jù)保存在模擬通道4的區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)的流動(dòng)與模擬數(shù)據(jù)沒(méi)有區(qū)別(但是會(huì)對(duì)邏輯數(shù)據(jù)的顯示進(jìn)行專門的處理)，因此，即使打開(kāi)邏輯顯示也可以保持高波形采集速率，確保不錯(cuò)過(guò)罕見(jiàn)事件(如圖3)。

　　同樣，邏輯波形的演示也與模擬波形的顯示（疊加顯示）沒(méi)有區(qū)別，因此，可以直觀地觀察到模擬信號(hào)和邏輯信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。  

　　圖4描述了如何生成邏輯顯示數(shù)據(jù)。硬件部分是專為復(fù)合顯示設(shè)計(jì)的：通過(guò)檢測(cè)每比特的H/L產(chǎn)生上限/下限數(shù)據(jù)，并采用與模擬信號(hào)一樣的方式在垂直線區(qū)域進(jìn)行差值。

             
 
　　　　　　　　　　　　　圖3 邏輯輸入時(shí)的累積波形
 
 
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 
　　由于所有模擬和邏輯輸入都被連接到觸發(fā)電路，無(wú)論如何切換模擬/邏輯顯示，所有觸發(fā)組合都可以實(shí)現(xiàn)。在組合觸發(fā)中，所有通道(包括邏輯)和比特之間的觸發(fā)延遲均小于2ns。  圖5是ScopeCORETM^TM引擎的結(jié)構(gòu)圖。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5

　　另外，通過(guò)邏輯功能使用新開(kāi)發(fā)的邏輯探頭(701989) *可以設(shè)置每比特的閾值。這樣，就可以在邏輯輸入中觀測(cè)有著不同電平的I2C和SPI總線接口。
*邏輯探頭(701989)另售。

　　亮度等級(jí)和歷史功能

　　對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，確認(rèn)罕見(jiàn)現(xiàn)象并在很短的時(shí)間內(nèi)弄清電路的運(yùn)行條件是非常重要的。為了增加捕捉罕見(jiàn)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)最重要的就是提高數(shù)據(jù)處理性能，如增加每秒的采樣數(shù)量，在大量的采樣數(shù)據(jù)中基于盡可能多的信息生成圖像。

　　通過(guò)歷史存儲(chǔ)功能，DLM2000系列擁有了更快的波形采集速率。歷史存儲(chǔ)功能是保證橫河產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的特有功能，此功能可以追溯分析過(guò)去采集到的波形。

　　通過(guò)ScopeCORE^TM引擎，波形采集并不與顯示周期(60Hz)同步。在原始數(shù)據(jù)處理部分，波形數(shù)據(jù)將被采集n次，然后保存至歷史存儲(chǔ)器中，這都不與顯示周期同步。產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)的部分通過(guò)提取歷史數(shù)據(jù)的n屏像素并累積所有重疊采樣點(diǎn)生成數(shù)據(jù)。累積的頻率信息將被轉(zhuǎn)換成亮度，并發(fā)送到顯示內(nèi)存中。圖6顯示了發(fā)送顯示數(shù)據(jù)信息的同時(shí)數(shù)據(jù)采集的執(zhí)行過(guò)程。

 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6

 　　通過(guò)重復(fù)這些處理過(guò)程，波形采集速率可以高達(dá)20000屏/秒，并可以用不同的亮度等級(jí)進(jìn)行顯示(如圖7)。 
　　以下表格體現(xiàn)了存儲(chǔ)長(zhǎng)度和最大波形采集速率之間的關(guān)系。
　　

　　存儲(chǔ)長(zhǎng)度為1.25Kpts時(shí)，可以累積20000屏的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)波形可以被識(shí)別，此功能非常強(qiáng)大，因?yàn)橹罂梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，。

　　　　
 
　　　　　　　　　　　　　　圖 7   亮度等級(jí)顯示

 　　此外，歷史功能的時(shí)間標(biāo)記信息也得到了加強(qiáng)。以前，保留在歷史內(nèi)存中的采集波形的時(shí)間標(biāo)記精度是10ms。這就意味著對(duì)于以N單次序列采集到的那些波形來(lái)說(shuō)，歷史內(nèi)存中很多屏的時(shí)間標(biāo)記都是相同的。而現(xiàn)在，可以50ns的分辨率顯示時(shí)間標(biāo)記，此分辨率與采樣率成正比(如圖8)。

          
　　　　　　　　　　　　　　　圖8  歷史時(shí)間標(biāo)記屏幕

　　提高歷史功能的時(shí)間標(biāo)記精度后，時(shí)間標(biāo)記可用于觀測(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))相關(guān)的點(diǎn)火脈沖波形。將點(diǎn)火脈沖設(shè)為觸發(fā)條件并累積歷史波形，可以推算出發(fā)動(dòng)機(jī)的RPM—觸發(fā)間隔(歷史時(shí)間標(biāo)記間隔)短表示RPM高；觸發(fā)間隔長(zhǎng)表示RPM低。

　　支持長(zhǎng)存儲(chǔ)

　　為了讓系統(tǒng)總線速度更快，觀測(cè)電源波動(dòng)并執(zhí)行嵌入式系統(tǒng)的其他任務(wù)時(shí)，工程師們需要在保持高采樣率的情況下長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)波形。工程師們?cè)絹?lái)越多地需要在高速采樣下連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間采集波形，以評(píng)估通信波形的質(zhì)量(噪聲、轉(zhuǎn)換時(shí)間等)，比如汽車電子產(chǎn)品，因?yàn)榇藭r(shí)需要確認(rèn)快速的變化以及無(wú)法預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。  

　　橫河DLM2000系列的連續(xù)采集存儲(chǔ)長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到12.5Mpts。這就意味著DLM2000可以在時(shí)間長(zhǎng)度為5秒的波形采集中，以2.5MS/s的采樣率( 5倍于比特率)觀測(cè)500Kbps的CAN(汽車局域網(wǎng))信號(hào)波形(如圖9)。

 
　　　　　　　圖9    12.5Mpts的CAN波形(5秒內(nèi))和縮放窗口
 
　　此外，采集時(shí)間范圍可達(dá)500s/div，可以采集長(zhǎng)達(dá)5000秒的波形，以觀測(cè)象電源電壓這樣的長(zhǎng)期變化的信號(hào)。

　　在單次采集模式下，最大存儲(chǔ)深度是125 Mpts。觀測(cè)信號(hào)運(yùn)行的細(xì)節(jié)時(shí)，必須以與信號(hào)變化相對(duì)應(yīng)的采樣率對(duì)波形進(jìn)行采樣。按照公式“采樣率=存儲(chǔ)長(zhǎng)度/波形采集時(shí)間”，設(shè)置相同的波形采集時(shí)間后，更長(zhǎng)的存儲(chǔ)深度可以較高的采樣率觀測(cè)波形。

　　通過(guò)ScopeCORE^TM引擎，可以暢通無(wú)阻地分析長(zhǎng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。單憑主要波形的某些特性很難從大量的數(shù)據(jù)中得到所需的信息。DLM配備了搜索引擎，它可以設(shè)置與觸發(fā)相類似的條件從采集波形中搜索到想要的數(shù)據(jù)。

　　在縮放區(qū)域內(nèi)可以縮放檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，縮放因子可以設(shè)為比T/div更高的分辨率，這樣就可以在高分辨率下查看感興趣的波形。

　　4.總結(jié)

　　DLM2000系列是一款中端(500MHz頻率帶寬、最大采樣率達(dá)2.5GS/s)的混合信號(hào)示波器。此系列標(biāo)準(zhǔn)配備了8-bit邏輯輸入，無(wú)論是否打開(kāi)邏輯顯示，都具有更快的波形采集速率和數(shù)據(jù)處理能力。此系列還可以直觀地顯示各種現(xiàn)象——以亮度對(duì)應(yīng)重疊的采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成色彩并在XGA分辨率的廣視角LCD上顯示出來(lái)。

　　DLM2000系列混合信號(hào)示波器以其輕便小巧的外形和超強(qiáng)的波形處理能力，可充分提高工作效率，尤其在調(diào)試數(shù)字控制的嵌入式系統(tǒng)時(shí)更顯卓越。

 DLM^TM [正在申請(qǐng)商標(biāo)]
ScopeCORE^TM [正在申請(qǐng)商標(biāo)]