目前，基于微控制器（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的嵌入式設(shè)計(jì)一般都會(huì)同時(shí)帶 有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)成分。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師是用示波器和邏輯分析儀進(jìn)行測(cè)試和調(diào) 試；而現(xiàn)在，新一類測(cè)量工具——混合信號(hào)示波器（MSO）——已經(jīng)能夠提供更好的 方法來(lái)調(diào)試這些 MCU 基和 DSP 基混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。雖然 混合信號(hào)示波器MSO 在市場(chǎng)上出現(xiàn)已將近 20 年，但大多數(shù)工程師卻從未接觸過(guò)這種儀器，許 多工程師對(duì)它們的好處和使用方式存在著誤解。許多示波器廠商都推出了融有模擬和 數(shù)字時(shí)間相關(guān)測(cè)量能力的混合型時(shí)域儀器，但您一定要清楚這些儀器的差別，確切了 解它們能做什么和不能做什么。 本文首先從混合信號(hào)示波器的定義開始，簡(jiǎn)要介紹了 MSO 所適應(yīng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域； 討論在典型的基于 MCU/DSP 設(shè)計(jì)中，為有效檢測(cè)各種模擬和數(shù)字 I/O 信號(hào)所需要的 通道數(shù)、帶寬和采樣率；還探討了為有效測(cè)試和調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)，您所要求于 MSO 的各種混合信號(hào)觸發(fā)類型；所選用的混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)例是基于 16bit 寬指令集 微控制器（Microchip PIC18）。本文還講述了使用 MSO 驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量時(shí)典型的調(diào)試 方法。

 

什么是混合信號(hào)示波器（MSO）？

 

MSO 是一種混合式測(cè)試儀器，它將數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）的所有測(cè)量能力（包括自動(dòng)定標(biāo)， 觸發(fā)釋抑，模擬和數(shù)字通道的無(wú)限余輝以及探頭 / 通道偏移校正）與邏輯分析儀的部分測(cè) 量能力集成到單臺(tái)儀器中。有了 MSO，您就能在同一個(gè)顯示器上看到如圖 1 所示在時(shí)間 上對(duì)準(zhǔn)的模擬和數(shù)字波形。雖然 MSO 可能缺少全效邏輯分析儀的許多先進(jìn)數(shù)字測(cè)量能力 和龐大的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，但對(duì)于今天的許多嵌入式設(shè)計(jì)調(diào)試應(yīng)用，MSO 仍有一些超過(guò) 傳統(tǒng)上同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

 

混合信號(hào)示波器MSO的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它的使用方式，其操作方法在許多方面與示波器相同。設(shè)計(jì)和測(cè) 試工程師往往會(huì)盡量避免使用邏輯分析儀——即使是在需要高效調(diào)試復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)——因?yàn)?掌握邏輯分析儀的使用方法要花費(fèi)大量時(shí)間。就算工程師了解邏輯分析儀的使用方法，對(duì) 特定測(cè)量所必須的設(shè)置也比設(shè)置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進(jìn)測(cè)量能力也增 加了復(fù)雜程度，通常會(huì)給今天的許多基于 MCU 和 DSP 設(shè)計(jì)帶來(lái)約束。

 

示波器是研發(fā)環(huán)境中最常用的測(cè)試儀器。所有嵌入式硬件設(shè)計(jì)師都有用示波器對(duì)混合信號(hào) 嵌入式設(shè)計(jì)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量和定時(shí)測(cè)量的基本操作知識(shí)。但對(duì)于監(jiān)視和測(cè)試多個(gè)模擬和數(shù)字 信號(hào)間的重要定時(shí)互動(dòng)，2 通道或 4 通道示波器測(cè)量一般是不夠用的。而這正是混合信號(hào)示波器MSO 的用武之地。

 

由于 MSO 提供“正好夠用”的邏輯分析儀測(cè)量能力，而且操作難度沒(méi)有明顯增加，因此 正是調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式屬示波器類型。事實(shí)上， 您可簡(jiǎn)單地把 MSO 看成是一種多通道示波器，其中的模擬通道提供高垂直分辨率（通常 為 8bit）；附加的邏輯 / 數(shù)字通道則提供低分辨率（1bit）測(cè)量。與松散型的雙機(jī)方案不同， 高度集成的 MSO 屬混合信號(hào)測(cè)量解決方案。它更便于用戶的使用，提供快速的波形更新率， 其操作更像是一臺(tái)示波器 — 而不像邏輯分析儀。

波形更新率是所有示波器的一項(xiàng)重要特性，它直接影響儀器的使用。速度慢和反應(yīng)遲鈍都 會(huì)影響正常使用，這對(duì)于 DSO 和 MSO 也是同樣道理。因此當(dāng)示波器廠商把邏輯采集通道 置入 DSO 構(gòu)成 MSO 時(shí)，絕不能犧牲波形更新率；否則，傳統(tǒng)示波器的使用方式將會(huì)受到 影響?；旌闲盘?hào)測(cè)量方案如果基于雙機(jī)配置，或者采用 USB 之類的外部通信總線來(lái)連接 邏輯接口就會(huì)反應(yīng)遲鈍和難以使用。而基于高度集成硬件架構(gòu)的 MSO 則有遠(yuǎn)為敏捷的響 應(yīng)，用起來(lái)也容易得多。

 

如欲深入了解示波器波形更新速率的重要性，請(qǐng)下載本文結(jié)尾部分列出的是德科技應(yīng)用指 南《示波器波形更新速率決定偶發(fā)事件捕獲能力》。

 

在購(gòu)買 MSO 之前的評(píng)估過(guò)程中，您首先要對(duì)各廠家印刷手冊(cè)和在線資料（技術(shù)概覽）中 描述的工作特性和測(cè)量性能做個(gè)比較。這對(duì)于評(píng)估儀器的可使用性和響應(yīng)能力具有一定的 參考價(jià)值；但唯一最有效的方法還是要親自上手，進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。

 

典型 混合信號(hào)示波器MSO測(cè)量應(yīng)用和要求的性能

 

雖然 MSO 是用于捕獲混合信號(hào)器件上 — 如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） — 模擬和數(shù)字信號(hào)的重要工具，但它們的主要測(cè)量應(yīng)用還包括驗(yàn)證和調(diào)試帶有嵌入地址 和數(shù)據(jù)總線的 MCU/DSP 基混合信號(hào)設(shè)計(jì)。圖 2 是具有微控制器內(nèi)核的典型混合信號(hào)嵌入 式設(shè)計(jì)的框圖。

 

盡管人們一般認(rèn)為微控制器和 DSP 是數(shù)字控制和處理器件，但今天絕大多數(shù) MCU 和 DSP 實(shí)際上是包含有嵌入模擬電路的混合信號(hào)器件。因此，需要檢測(cè)和驗(yàn)證系統(tǒng)中的這些 信號(hào)，例如模擬 I/O、數(shù)字并行 I/O 端口，以及 I2 C 和 SPI 這類數(shù)字串行通信總線。

 

注意，圖 2 中的框圖沒(méi)有示出任何地址或數(shù)據(jù)總線信號(hào)。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù) MCU 和 DSP 具有包括嵌入存儲(chǔ)器（RAM 和 ROM）的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。

 

由于今天的 混合信號(hào)示波器MSO 一般有 16 個(gè)數(shù)字采集通道，因此一些工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為 MSO 只能受限 于 8bit 的處理應(yīng)用（8bit 數(shù)據(jù)＋ 8bit 地址 = 8 至 16 個(gè)通道）。但 MSO 主要用于檢測(cè)模 擬和數(shù)字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 設(shè)計(jì)中能夠得到的所有信號(hào)。不要嘗試把 MSO 中的數(shù)字采集通道數(shù)與基于內(nèi)部總線的 MCU 或 DSP 中的處理比特?cái)?shù)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)樗鼈?通常沒(méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系。為檢測(cè)和驗(yàn)證 8bit、16bit，有時(shí)甚至是 32bit 的 MCU/DSP 設(shè)計(jì)，16 個(gè)數(shù)字采集通道及 2 個(gè)到 4 個(gè)模擬采集和觸發(fā)通道一般是富富有余的。

 

檢測(cè)基于外部總線設(shè)計(jì)（例如基于 32 bit 微處理器計(jì)算機(jī)）中的并行地址和數(shù)據(jù)線并非 MSO 的主要測(cè)量應(yīng)用。

 

圖 2. 典型 MCU 基嵌入式設(shè)計(jì)

 

如果需要捕獲多個(gè)地址和數(shù)據(jù)總線信號(hào)，以驗(yàn)證基于外部總線系統(tǒng)中的定時(shí)和源碼碼流， 那么具有狀態(tài)分析和反匯編能力的邏輯分析儀是更好的測(cè)量工具。但假若您同時(shí)還需要模 擬信號(hào)和或數(shù)字信號(hào)的模擬特性具有時(shí)相關(guān)性，那么多家廠商的雙機(jī)解決方案（示波器＋ 邏輯分析儀）就要把示波器波形送入到具有時(shí)相關(guān)顯示的邏輯分析儀中。在您獲得這種更 高性能雙機(jī)測(cè)試解決方案的同時(shí)，也不得不接受邏輯分析儀更為復(fù)雜的操作方式，包括慢 或單次的波形更新率。

 

但即使是在帶有外部存儲(chǔ)器器件的 32bit 系統(tǒng)中，具有 16 個(gè)邏輯定時(shí)通道及 2 個(gè)或 4 個(gè) 模擬通道的 MSO 對(duì)于測(cè)量關(guān)鍵定時(shí)參數(shù)通常也是足夠的。圖 3 是使用 MSO 在一個(gè) 32bit 系統(tǒng)中（IBM PowerPC 405 GP）驗(yàn)證高速存儲(chǔ)器器件（SDRAM）建立時(shí)間的例子。使用 MSO 的碼型觸發(fā)能力，只需 4 個(gè) MSO 數(shù)字通道就能完成對(duì)特定讀寫指令（CS、RAS、 CAS 和 WE）的測(cè)量。再用示波器的模擬通道進(jìn)一步限定在一個(gè)高速時(shí)鐘信號(hào)沿上觸發(fā)， 并在對(duì)應(yīng)特定數(shù)據(jù)信號(hào)（中間的綠色跡線）的 100 MHz 時(shí)鐘信號(hào)上（上面的黃色跡線） 做關(guān)鍵的定時(shí)測(cè)量，從而得到對(duì)該外部存儲(chǔ)器器件的測(cè)量，測(cè)得建立時(shí)間為 8 ns。用常規(guī) 2 通道或 4 通道 DSO 進(jìn)行這樣的測(cè)量是不可能的，而使用與高速示波器相鏈接的邏輯分 析儀進(jìn)行這種測(cè)量則極為費(fèi)時(shí)。

 

圖 3. 在 32 bit 系統(tǒng)中用 MSO 進(jìn)行關(guān)鍵的建立時(shí)間測(cè)量

 

對(duì)于混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)中的這類信號(hào)完整性測(cè)量，MSO 的模擬和數(shù)字采集性能要遠(yuǎn)比 通道數(shù)重要。示波器模擬采集性能的最基本指標(biāo)是帶寬和采樣率。為進(jìn)行具有合理精度的 模擬測(cè)量，示波器帶寬至少應(yīng)該是所關(guān)注信號(hào)最高頻率成分的五倍。例如，若需要用示波 器模擬通道檢測(cè)最大轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為 200 MHz 的數(shù)字信號(hào)，為能以合理精度捕獲到第 5 次諧波，示波器的模擬帶寬應(yīng)達(dá)到 1 GHz。對(duì)于實(shí)時(shí)單次測(cè)量，示波器的采樣率應(yīng)是示波 器帶寬的 4 倍，或更快。要了解有關(guān)示波器帶寬和采樣率關(guān)系的更多情況，請(qǐng)下載閱讀是 德科技應(yīng)用指南“針對(duì)您的應(yīng)用選擇適當(dāng)帶寬的示波器”和“評(píng)估示波器采樣率與采樣保 真度的關(guān)系：如何獲得最精確的數(shù)字測(cè)量結(jié)果”（將在本文結(jié)尾部分列出）。

 

可惜有些示波器和邏輯分析儀的使用者并未充分認(rèn)識(shí)到 MSO 和邏輯分析儀需要具有怎樣 的數(shù)字采集性能?；旌闲盘?hào)示波器MSO 具有與示波器模擬采集性能相當(dāng)?shù)臄?shù)字采集性能是非常重要的。 但這并不意味著它就是高性能示波器和低性能邏輯定時(shí)分析儀的簡(jiǎn)單組合。是德科技推薦 MSO 的數(shù)字 / 邏輯采集系統(tǒng)的采樣率至少應(yīng)達(dá)到示波器模擬采集通道帶寬的兩倍。在上 面我們剛剛討論的例子中，需要用 1 GHz 示波器捕獲轉(zhuǎn)換 / 時(shí)鐘率為 200 MHz 數(shù)字信號(hào) 的模擬特性，而以合理的定時(shí)精度在 MSO 的數(shù)字 / 邏輯通道上捕獲同樣信號(hào)，則要求數(shù) 字 / 邏輯通道達(dá)到 2 GSa/s 的采樣率。

 

當(dāng)您使用邏輯 / 數(shù)字采集通道時(shí)，測(cè)量分辨率被限制為 ±1 個(gè)采樣周期。例如，如果您打 算用 200 MHz（周期 = 5ns）的最大跳轉(zhuǎn) / 時(shí)鐘率捕獲數(shù)字信號(hào)，每個(gè)高或低脈沖可能會(huì) 窄到 2.5 ns（假定為 50% 占空比）。這意味著如果您的 MSO 數(shù)字采集系統(tǒng)用 2 GSa/s 的 最大速率采樣，那么在任一脈沖沿上的定時(shí)測(cè)量會(huì)達(dá)到 ±500 ps 的誤差，這對(duì)于時(shí)間差 測(cè)量來(lái)說(shuō)就是最壞條件下的 1 ns 峰峰誤差，即 2.5 ns 脈沖上的 40% 誤差。我們相信無(wú)論 是對(duì)于 MSO 還是邏輯分析儀，超過(guò) 40% 的定時(shí)誤差都是無(wú)法接受的，這正是我們推薦數(shù) 字采集通道采樣率必須至少為示波器帶寬兩倍的原因。

 

除帶寬和采樣率外，要考慮的另一重要因素是探測(cè)帶寬；包括模擬和數(shù)字系統(tǒng)探測(cè)的帶寬。 如果您要捕獲有超過(guò) 500 MHz 重要頻率分量的模擬或數(shù)字信號(hào)，就要在模擬通道上使用 有源探頭。同樣，數(shù)字采集系統(tǒng)的探頭也必須能夠?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的采樣電路提供更高頻率的 信號(hào)，從而能可靠地捕獲到更高頻率脈沖序列中的每一個(gè)脈沖。

 

混合信號(hào)觸發(fā)

 

對(duì)于模擬和數(shù)字 I/O 信號(hào)的特定互動(dòng)，MSO 的更多采集通道（與 DSO 相比）意味著您現(xiàn)在有了更具針對(duì)性的更多觸發(fā)可能。雖 然 MSO 尚不具備高性能邏輯分析儀的各種復(fù)雜觸發(fā)能力，但也 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 2 通道或 4 通道示波器的有限觸發(fā)能力。

 

今天市場(chǎng)上的多數(shù) MSO 和混合信號(hào)測(cè)量解決方案能至少在一種 電平的并行碼型觸發(fā)條件上觸發(fā)，有些 MSO 更能提供具有復(fù)位 條件的兩種電平碼型序列觸發(fā)。但即使您使用相對(duì)簡(jiǎn)單的單電平 碼型觸發(fā)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案在觸發(fā)能 力上存有巨大差異。首先非常重要的一點(diǎn)是，MSO 要能在模擬 和數(shù)字輸入的組合上觸發(fā)。對(duì)于有些混合信號(hào)測(cè)量解決方案，由 于其模擬通道和邏輯通道間的信號(hào)偏移，它們只能在采集系統(tǒng)的 一邊（模擬邊或數(shù)字邊）實(shí)施較為可靠的觸發(fā)。也就是說(shuō)您只 能在傳統(tǒng)的模擬觸發(fā)條件上，或僅在并行數(shù)字條件上觸發(fā)示波 器——而不能同時(shí)在兩種條件上觸發(fā)。MSO 應(yīng)能提供混合信號(hào) 觸發(fā)能力，并且在觸發(fā)的模擬通道和數(shù)字通道確保精確的時(shí)間校 準(zhǔn)。我們?cè)诒疚暮竺孢€將給出需要在混合信號(hào)條件下進(jìn)行觸發(fā)的 另一個(gè)例子。在該例中，要求在特定輸出相位上對(duì) MCU 控制的 DAC 同步示波器的模擬和數(shù)字采集。

 

對(duì)于碼型觸發(fā)的 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案來(lái)說(shuō)，還有一項(xiàng)重 要的考慮因素，就是看它是否帶有任何類型的時(shí)間限定。除送入， 與 / 或退出觸發(fā)限定外，碼型觸發(fā)條件還應(yīng)包括最小時(shí)間限定條 件。為說(shuō)明這一點(diǎn)，一種簡(jiǎn)單的方法就是：先在不穩(wěn)定的跳變狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā)；然后再來(lái)演示示波器可以用怎樣的工具避免這 種不穩(wěn)定。圖 4 是使用 Keysight 6000 X 系列 MSO執(zhí)行碼型 CE （1100 1110）觸發(fā)的例子。屏幕上方清楚地顯示了信號(hào)的整體 情況，從中可以看到：總線上 DE 和 E4 之間的 CE 和 EE 是很不 穩(wěn)定的跳變狀態(tài)。這應(yīng)該就是用戶最不希望出現(xiàn)的觸發(fā)情況了。 此時(shí)，用戶可以使用示波器的時(shí)間限定菜單（Qualifier）為觸發(fā) 設(shè)定時(shí)間閾值。即：讓觸發(fā)狀態(tài)必須保持比規(guī)定的時(shí)間更長(zhǎng)或更 短；或者保持在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，或在規(guī)定的時(shí)間范圍外。

 

圖 4. 沒(méi)有最小時(shí)間限定，示波器在跳變的 / 不穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā)

 

為避免在跳變的不穩(wěn)定的條件下觸發(fā)，具備最小時(shí)間限定能力是 很重要的。當(dāng)并行數(shù)字信號(hào)改變狀態(tài)時(shí)，切換過(guò)程可能為幾乎同 時(shí) — 但并非嚴(yán)格的同時(shí)。除了信號(hào)在非高非低時(shí)的有限上升和 下降速度外，即使是在經(jīng)過(guò)最好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，信號(hào)間也會(huì)有微 小的延遲。這意味著您的系統(tǒng)在信號(hào)切換時(shí)，始終存在跳變的 / 不穩(wěn)定的信號(hào)條件。如有可能，您當(dāng)然希望 DSO/MSO 或邏輯 分析儀能避免在這些不穩(wěn)定條件下觸發(fā)。

 

示波器（包括 MSO）有能力精確地在模擬觸發(fā)電平 / 閾值渡越 點(diǎn)觸發(fā)，而邏輯分析儀通常使用基于樣本的觸發(fā)。基于樣本的觸 發(fā)將產(chǎn)生 ±1 個(gè)取樣周期的峰峰觸發(fā)抖動(dòng)不確定度（最壞條件 下峰峰不確定度 = 2 個(gè)取樣周期）。我們通過(guò)“基于樣本的觸發(fā)” 首先讓儀器對(duì)輸入信號(hào)隨機(jī)取樣，然后根據(jù)取樣數(shù)據(jù)建立觸發(fā)參 考點(diǎn)。這種類型的觸發(fā)會(huì)產(chǎn)生明顯的觸發(fā)抖動(dòng)，這對(duì)于某些典型 邏輯分析儀可能是允許的，但對(duì)用于觀察重復(fù)信號(hào)的常規(guī)示波器 或 MSO 測(cè)量則都是不可接受的。

 

圖 5. 基于樣本的碼型觸發(fā)產(chǎn)生了 4ns 的觸發(fā)抖動(dòng)（使用了 MSO 選件的LeCroy WaveRunner）

 

圖 5 是帶有混合信號(hào)選件，從而能根據(jù)取樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生觸發(fā)事件的 示波器例子。圖 6 是 Keysight MSO 的例子，它用模擬硬件比較 器實(shí)現(xiàn)所有模擬和數(shù)字輸入信號(hào)的觸發(fā)。

 

圖 6. Keysight MSO 中的實(shí)時(shí)比較器硬件碼型觸發(fā)產(chǎn)生極低的觸發(fā)抖動(dòng)

 

在這一混合信號(hào)測(cè)量實(shí)例中，各示波器都設(shè)置為在 MCU 數(shù)字輸 出端口的特定 8bit 碼型條件與數(shù)字輸入通道 D4（A4）上升沿同 步時(shí)觸發(fā)。為測(cè)量 D4（A4）信號(hào)的信號(hào)完整性，把示波器的一 個(gè)模擬通道設(shè)置為對(duì)這一同樣的數(shù)字信號(hào)作“雙倍檢測(cè)”。如您 在圖 5 中所見，示波器依據(jù)取樣數(shù)據(jù)的數(shù)字觸發(fā)產(chǎn)生了近似為 4ns 的峰峰觸發(fā)抖動(dòng)；這是因?yàn)槠渥畲髷?shù)字 / 邏輯通道采樣率只 有 500 MSa/s（不確定度為 ±1 個(gè)取樣周期）。注意：在使用示 波器的無(wú)限余輝顯示模式時(shí)，重復(fù)模擬跡線（中間的綠色跡線） 中有個(gè) 4 ns 的峰峰“拖影”。

 

圖 6 是使用 Keysight 混合信號(hào)示波器MSO 執(zhí)行與上例相同的重復(fù)觸發(fā)測(cè)量，它 采用實(shí)時(shí)模擬比較器硬件技術(shù)產(chǎn)生觸發(fā)事件，而非基于樣本的觸 發(fā)。在把示波器設(shè)置為 5 ns/div 時(shí)，我們就能用該示波器的無(wú)限 余輝顯示模式觀察非常穩(wěn)定的模擬跡線，即使觸發(fā)僅僅跨示波器 的數(shù)字和邏輯通道輸入。在使用示波器的一個(gè)模擬輸入通道時(shí)， 就能對(duì)重復(fù)輸入信號(hào)進(jìn)行更為精確的信號(hào)完整性測(cè)量。

 

在為您的混合信號(hào)嵌入式應(yīng)用評(píng)估各種 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決 方案時(shí)，最后要考慮的一件事情是示波器是否能在串行 I/O，例 如 I2 C 和 SPI 的特定地址和數(shù)據(jù)傳輸上觸發(fā)。串行 I/O 已在今天 的嵌入式設(shè)計(jì)中被普遍采用。我們?cè)诒疚牡南乱徊糠謱⒔o出一個(gè) 例子，它要求根據(jù)混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)中的串行輸入命令，把串 行觸發(fā)與示波器對(duì)特定模擬輸出“chirp”信號(hào)的采集相同步。

 

啟用和調(diào)試真實(shí)混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)

 

讓 我 們 現(xiàn) 在 來(lái) 看 看 由 美 國(guó) 加 利 福 尼 亞 州 奇 哥 市（Chico） Solutions Cubed 公司所設(shè)計(jì)的一種混合信號(hào)嵌入式產(chǎn)品的啟用 和調(diào)試過(guò)程。圖 7 是該產(chǎn)品的框圖。

 

該混合信號(hào)嵌入式產(chǎn)品的核心是 Microchip PIC18F452-/PT 微控 制器，它使用內(nèi)部的 16bit 指令集工作。由于這種特殊的 MCU 有內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)和一個(gè)包括嵌入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），因此該 混合信號(hào)器件及相應(yīng)的外圍電路就成為用 MSO 設(shè)計(jì)和調(diào)試嵌入 式混合信號(hào)設(shè)計(jì)的極好例子。

 

這項(xiàng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是依據(jù)各種模擬、數(shù)字和串行 I/O 輸入條件， 產(chǎn)生各種長(zhǎng)度、形狀和幅度的模擬“chirp”輸出信號(hào)（“chirp” 是包括特定周期數(shù)的 RF 脈沖模擬輸出信號(hào)，在航天國(guó)防和汽車 應(yīng)用中常遇到“chirp”信號(hào)）。MCU 同時(shí)檢測(cè)如下三種輸入， 以確定輸出 chirp 信號(hào)的特性：

1. 用 MCU 上的一個(gè)并行數(shù)字 I/O 端口檢測(cè)用戶系統(tǒng)控制面板 的狀態(tài)，從而確定所產(chǎn)生輸出 chirp 信號(hào)的形狀（正弦波、 三角波、方波）。

2. 通過(guò) MCU 上的一個(gè) ADC 輸入檢測(cè)加速度模擬輸入傳感器 的輸出電平，從而確定所產(chǎn)生輸出 chirp 信號(hào)的幅度。

3. 使用 MCU 上的專用 I2 C 串行 I/O 端口檢測(cè)串行 I2 C 通信鏈 路的狀態(tài)，從而確定輸出 chirp 中產(chǎn)生的脈沖數(shù)。這一 I2 C 通信輸入信號(hào)從該嵌入式設(shè)計(jì)中另一智能子系統(tǒng)部件產(chǎn)生。

 

根據(jù)模擬、數(shù)字和串行這三個(gè)輸入狀態(tài)，MCU 向外部 8bit DAC 連續(xù)輸出并行信號(hào)，以生成各種幅度、形狀和長(zhǎng)度的模擬 chirp 信號(hào)。DAC 的未濾波階梯波輸出饋送至模擬低通濾波器，用以 平滑信號(hào)和降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號(hào)引入預(yù)先 確定的相移量。最后，MCU 通過(guò)另一可用數(shù)字 I/O 端口產(chǎn)生并 行數(shù)字輸出，以驅(qū)動(dòng)提供系統(tǒng)狀態(tài)信息的 LCD 顯示。

 

圖 7. 依據(jù)模擬、數(shù)字和串行 I/O 產(chǎn)生模擬“chirp”輸出的混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)

 

在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì) / 編程 MCU 的第一步是，為 MCU 的 I/O 配置適當(dāng)數(shù)量的模擬和數(shù)字 I/O 端口。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要通盤 考慮 MicroChip 這種特殊微控制器中與數(shù)字 I/O 端口相配的模擬 I/O 數(shù)，以及與模擬 I/O 端口相配的數(shù)字 I/O 數(shù)。

 

在嘗試編碼 MCU，以檢測(cè)各種輸入和產(chǎn)生規(guī)定的最終輸出信號(hào) 前，研制組決定首先開發(fā)該嵌入式設(shè)計(jì)某一部分 / 某項(xiàng)功能的測(cè) 試代碼，在增加交互式的復(fù)雜性之前先驗(yàn)證它的正確工作和信 號(hào)完整性。所啟用和調(diào)試的第一部分電路 / 第一項(xiàng)功能是外部的 DAC 輸出和輸入，以及模擬濾波器。為驗(yàn)證該電路和內(nèi)部固件 的正確工作，我們最初把 MCU 編碼為產(chǎn)生固定幅度的連續(xù)和重 復(fù)的正弦波，而不考慮輸入控制 / 狀態(tài)信號(hào)條件。

 

圖 8. Keysight InfiniiVision 系列 MSO 捕獲 MCU 控制 DAC 的并行數(shù)字輸入和模擬輸出

 

圖 8 示出 Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕圖像，它捕獲 至外部 DAC（MCU 數(shù)字 I/O 端口輸出）的連續(xù)數(shù)字輸入，以及 DAC 的階梯波輸出和經(jīng)模擬濾波的輸出。由于這些特定信號(hào)是 電平相對(duì)低的輸出信號(hào)，僅使用 8bit DAC（最大 256 電平）的 16 個(gè)電平，我們能容易地在示波器顯示上觀察該轉(zhuǎn)換器的階梯 波輸出特性（綠色跡線）。

 

把這一特定采集設(shè)置為當(dāng) DAC 輸出到達(dá)其最高輸出電平（屏幕 中央）時(shí)觸發(fā)。傳統(tǒng)示波器在這一特定點(diǎn)觸發(fā)是不可能的，因?yàn)?示波器觸發(fā)需要沿的跳變。為在輸出信號(hào)的這一點(diǎn)相位處觸發(fā)， 我們依據(jù)與外部 DAC 最高輸出模擬電平相一致的數(shù)字輸入信號(hào)， 建立簡(jiǎn)單的單電平碼型觸發(fā)條件。為在波形的這一精確點(diǎn)觸發(fā)， 設(shè)計(jì)師送入并行二進(jìn)制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時(shí) 間限定”碼型觸發(fā)，示波器始終在規(guī)定碼型的開始處觸發(fā)，而絕 不會(huì)在不穩(wěn)定的跳變的條件處觸發(fā)。

 

圖 9. 使用模擬和數(shù)字碼型觸發(fā)的組合 , Keysight MSO 在 50% 渡越點(diǎn)觸發(fā)

 

圖 9 示出 MSO 把觸發(fā)精確設(shè)置在 DAC 50% 輸出電平點(diǎn)的觸發(fā) 條件，除了模擬觸發(fā)條件外，還使用在并行數(shù)字輸入信號(hào)上的碼 型觸發(fā)。如前所述，并非所有 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案都允 許在模擬和數(shù)字條件上組合的混合信號(hào)觸發(fā)。但由于在相同電平 （50% 上升電平和 50% 下降電平）上存在兩個(gè)模擬輸出條件， 要與上升或下降點(diǎn)的觸發(fā)保持一致性，所需要的將不僅僅是在 8bit 輸入碼型上的碼型觸發(fā)。通過(guò)另外限定在模擬通道 1上的“低 （0）”電平（頂端的黃色跡線），示波器就能使用模擬和數(shù)字 碼型觸發(fā)的組合，在所需要的相位上觸發(fā)。注意，模擬信號(hào)在高 于模擬觸發(fā)電平時(shí)被看作“高（1）”，在低于觸發(fā)電平時(shí)被看 作“低（0）”。
 

圖 9 中也示出對(duì)濾波輸出信號(hào)的自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，包括相對(duì)未濾波 DAC 輸出的幅度、頻率和相移。

 

圖 10. 傳統(tǒng)示波器的沿觸發(fā)不能同步特定長(zhǎng)度的 chirp

 

在啟用和驗(yàn)證了外部 DAC 和模擬濾波電路的正確工作后，該設(shè) 計(jì)啟用過(guò)程的下一步是根據(jù)串行 I2 C 輸入產(chǎn)生規(guī)定的非重復(fù)正弦 波脈沖（chirp）數(shù)。圖 10 示出使用標(biāo)準(zhǔn)的示波器邊沿觸發(fā)，所 得到的不同長(zhǎng)度 chirp 的重疊（無(wú)限余輝）。而傳統(tǒng)示波器的沿 觸發(fā)是不可能限定在規(guī)定長(zhǎng)度 chirp 上觸發(fā)的。

 

使用 I2 C 觸發(fā)能力，Keysight MSO 示波器就能在特定串行輸入條 件下同步它的采集，并指示 MCU 產(chǎn)生規(guī)定長(zhǎng)度（脈沖數(shù)）的輸 出 chirp。

 

圖 11. 用 Keysight MSO 中的 I2C 觸發(fā)和解碼在 3 周期 chirp 上觸發(fā)

 

圖 11 描述了示波器使用在規(guī)定串行地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容上的 I2 C 觸 發(fā)，在 3 周期 chirp 上觸發(fā)的能力。數(shù)據(jù)通道 D14 和 D15 分別 定義為 I2 C 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際上我們能把 16 個(gè)數(shù) 字通道及 2 個(gè)或 4 個(gè)示波器通道中的任何通道定義為對(duì)這樣 2 個(gè)輸入信號(hào)的串行觸發(fā)。在監(jiān)測(cè)串行輸入和模擬輸出信號(hào)的同時(shí)， D0-D7 設(shè)置為在“總線”疊加顯示中檢測(cè)外部 DAC 輸入（MCU 輸出）信號(hào)。

 

圖 12. I2C 信號(hào)可通過(guò)時(shí)間相關(guān)形式查看，也可以通過(guò)上半部分表格解碼的形式進(jìn)行查看。

 

圖 12 圖下半部示出了時(shí)間相關(guān) I2 C 串行解碼基線；而該圖上半 部分也用表格形式顯示了串行解碼。 雖然圖中沒(méi)有示出，但可以把示波器的其他模擬通道設(shè)置為同時(shí) 檢測(cè)和采集來(lái)自加速度傳感器的模擬輸入信號(hào)，以確定輸出信號(hào) 的幅度。此外，未使用的 MSO 數(shù)字通道也可用于檢測(cè)和或進(jìn)一 步限定數(shù)控面板輸入和 / 或 LCD 輸出驅(qū)動(dòng)器信號(hào)上的觸發(fā)。

 

總結(jié)

 

混合信號(hào)示波器（MSO）是用于調(diào)試和驗(yàn)證今天許多 基于 MCU 和 DSP 混合信號(hào)設(shè)計(jì)正 常工作的新工具。MSO 在一臺(tái)一體化的儀器上提供模擬和數(shù)字波形的時(shí)間相關(guān)顯示，以 及所有模擬和數(shù)字通道的強(qiáng)大混合信號(hào)觸發(fā)能力，因此能讓設(shè)計(jì)師使用他們熟悉的、基于 示波器用戶界面和使用方式的工具，更快地調(diào)試混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。 今天市場(chǎng)上有著各式各樣的 MSO 和綜合性的混合信號(hào)測(cè)量工具，在做出購(gòu)買決定前，一 定要仔細(xì)評(píng)估這些儀器的測(cè)量能力和可使用性。

 

您應(yīng)特別關(guān)注混合信號(hào)示波器MSO如下七項(xiàng)特性：

 

1. MSO 的工作方式要像熟悉的示波器——而不是像邏輯分析儀。

2. MSO 應(yīng)當(dāng)具備示波器的全部測(cè)量能力，同時(shí)不會(huì)犧牲其他特性，例如自動(dòng)定標(biāo)，觸 發(fā)釋抑，無(wú)限余輝（適合模擬和數(shù)字通道）以及探頭 / 通道偏移校正等。

3. MSO 要像示波器那樣提供快的波形更新率，而不能像邏輯分析儀那樣提供慢的更新率。

4. MSO 數(shù)字 / 邏輯通道采集系統(tǒng)的性能（采樣率和探測(cè)帶寬）要與示波器的模擬采集 系統(tǒng)性能相適配。

5. MSO 要能在模擬和數(shù)字通道上同時(shí)觸發(fā)（混合信號(hào)觸發(fā)），具有精確的時(shí)間校準(zhǔn)功能。

6. MSO 要能根據(jù)最小限定時(shí)間在碼型上觸發(fā)，從而避免在不穩(wěn)定的跳變的切換條件上 觸發(fā)。

7. MSO 要能提供基于實(shí)時(shí)模擬比較器技術(shù)的模擬和數(shù)字觸發(fā)——而非會(huì)在重復(fù)波形上 產(chǎn)生顯著觸發(fā)抖動(dòng)的基于波形樣本的觸發(fā)。