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2022年11月10日

模拟与数字电路使用混合信号来验证和测量

模拟与数字电路使用混合信号来验证和测量 2011年12月10日 来源:   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

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