目前，基于微控制器（MCU）和數字信號處理器（DSP）的嵌入式設計一般都會(huì )同時(shí)帶 有模擬信號和數字信號成分。傳統上，設計師是用示波器和邏輯分析儀進(jìn)行測試和調 試；而現在，新一類(lèi)測量工具——混合信號示波器（MSO）——已經(jīng)能夠提供更好的 方法來(lái)調試這些 MCU 基和 DSP 基混合信號嵌入式設計。雖然 混合信號示波器MSO 在市場(chǎng)上出現已將近 20 年，但大多數工程師卻從未接觸過(guò)這種儀器，許 多工程師對它們的好處和使用方式存在著(zhù)誤解。許多示波器廠(chǎng)商都推出了融有模擬和 數字時(shí)間相關(guān)測量能力的混合型時(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示波器的定義開(kāi)始，簡(jiǎn)要介紹了 MSO 所適應的主要應用領(lǐng)域； 討論在典型的基于 MCU/DSP 設計中，為有效檢測各種模擬和數字 I/O 信號所需要的 通道數、帶寬和采樣率；還探討了為有效測試和調試嵌入式設計，您所要求于 MSO 的各種混合信號觸發(fā)類(lèi)型；所選用的混合信號嵌入式設計實(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 驗證信號質(zhì)量時(shí)典型的調試 方法。

 

什么是混合信號示波器（MSO）？

 

MSO 是一種混合式測試儀器，它將數字存儲示波器（DSO）的所有測量能力（包括自動(dòng)定標， 觸發(fā)釋抑，模擬和數字通道的無(wú)限余輝以及探頭 / 通道偏移校正）與邏輯分析儀的部分測 量能力集成到單臺儀器中。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 上對準的模擬和數字波形。雖然 MSO 可能缺少全效邏輯分析儀的許多先進(jìn)數字測量能力 和龐大的數據采集通道數，但對于今天的許多嵌入式設計調試應用，MSO 仍有一些超過(guò) 傳統上同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀的獨特優(yōu)點(diǎn)。

 

混合信號示波器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。設計和測 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試復雜設計時(shí)——因為 掌握邏輯分析儀的使用方法要花費大量時(shí)間。就算工程師了解邏輯分析儀的使用方法，對 特定測量所必須的設置也比設置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進(jìn)測量能力也增 加了復雜程度，通常會(huì )給今天的許多基于 MCU 和 DSP 設計帶來(lái)約束。

 

示波器是研發(fā)環(huán)境中最常用的測試儀器。所有嵌入式硬件設計師都有用示波器對混合信號 嵌入式設計進(jìn)行信號質(zhì)量和定時(shí)測量的基本操作知識。但對于監視和測試多個(gè)模擬和數字 信號間的重要定時(shí)互動(dòng)，2 通道或 4 通道示波器測量一般是不夠用的。而這正是混合信號示波器MSO 的用武之地。

 

由于 MSO 提供“正好夠用”的邏輯分析儀測量能力，而且操作難度沒(méi)有明顯增加，因此 正是調試嵌入式設計的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式屬示波器類(lèi)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 / 數字通道則提供低分辨率（1bit）測量。與松散型的雙機方案不同， 高度集成的 MSO 屬混合信號測量解決方案。它更便于用戶(hù)的使用，提供快速的波形更新率， 其操作更像是一臺示波器 — 而不像邏輯分析儀。

波形更新率是所有示波器的一項重要特性，它直接影響儀器的使用。速度慢和反應遲鈍都 會(huì )影響正常使用，這對于 DSO 和 MSO 也是同樣道理。因此當示波器廠(chǎng)商把邏輯采集通道 置入 DSO 構成 MSO 時(shí)，絕不能犧牲波形更新率；否則，傳統示波器的使用方式將會(huì )受到 影響?；旌闲盘枩y量方案如果基于雙機配置，或者采用 USB 之類(lèi)的外部通信總線(xiàn)來(lái)連接 邏輯接口就會(huì )反應遲鈍和難以使用。而基于高度集成硬件架構的 MSO 則有遠為敏捷的響 應，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，請下載本文結尾部分列出的是德科技應用指 南《示波器波形更新速率決定偶發(fā)事件捕獲能力》。

 

在購買(mǎi) MSO 之前的評估過(guò)程中，您首先要對各廠(chǎng)家印刷手冊和在線(xiàn)資料（技術(shù)概覽）中 描述的工作特性和測量性能做個(gè)比較。這對于評估儀器的可使用性和響應能力具有一定的 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。

 

典型 混合信號示波器MSO測量應用和要求的性能

 

雖然 MSO 是用于捕獲混合信號器件上 — 如模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC） — 模擬和數字信號的重要工具，但它們的主要測量應用還包括驗證和調試帶有嵌入地址 和數據總線(xiàn)的 MCU/DSP 基混合信號設計。圖 2 是具有微控制器內核的典型混合信號嵌入 式設計的框圖。

 

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

 

注意，圖 2 中的框圖沒(méi)有示出任何地址或數據總線(xiàn)信號。這是因為：大多數 MCU 和 DSP 具有包括嵌入存儲器（RAM 和 ROM）的內部總線(xiàn)結構。

 

由于今天的 混合信號示波器MSO 一般有 16 個(gè)數字采集通道，因此一些工程師錯誤地認為 MSO 只能受限 于 8bit 的處理應用（8bit 數據＋ 8bit 地址 = 8 至 16 個(gè)通道）。但 MSO 主要用于檢測模 擬和數字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 設計中能夠得到的所有信號。不要嘗試把 MSO 中的數字采集通道數與基于內部總線(xiàn)的 MCU 或 DSP 中的處理比特數相關(guān)聯(lián)，因為它們 通常沒(méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系。為檢測和驗證 8bit、16bit，有時(shí)甚至是 32bit 的 MCU/DSP 設計，16 個(gè)數字采集通道及 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。

 

檢測基于外部總線(xiàn)設計（例如基于 32 bit 微處理器計算機）中的并行地址和數據線(xiàn)并非 MSO 的主要測量應用。

 

圖 2. 典型 MCU 基嵌入式設計

 

如果需要捕獲多個(gè)地址和數據總線(xiàn)信號，以驗證基于外部總線(xiàn)系統中的定時(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量工具。但假若您同時(shí)還需要模 擬信號和或數字信號的模擬特性具有時(shí)相關(guān)性，那么多家廠(chǎng)商的雙機解決方案（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 高性能雙機測試解決方案的同時(shí)，也不得不接受邏輯分析儀更為復雜的操作方式，包括慢 或單次的波形更新率。

 

但即使是在帶有外部存儲器器件的 32bit 系統中，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 對于測量關(guān)鍵定時(shí)參數通常也是足夠的。圖 3 是使用 MSO 在一個(gè) 32bit 系統中（IBM PowerPC 405 GP）驗證高速存儲器器件（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 數字通道就能完成對特定讀寫(xiě)指令（CS、RAS、 CAS 和 WE）的測量。再用示波器的模擬通道進(jìn)一步限定在一個(gè)高速時(shí)鐘信號沿上觸發(fā)， 并在對應特定數據信號（中間的綠色跡線(xiàn)）的 100 MHz 時(shí)鐘信號上（上面的黃色跡線(xiàn)） 做關(guān)鍵的定時(shí)測量，從而得到對該外部存儲器器件的測量，測得建立時(shí)間為 8 ns。用常規 2 通道或 4 通道 DSO 進(jìn)行這樣的測量是不可能的，而使用與高速示波器相鏈接的邏輯分 析儀進(jìn)行這種測量則極為費時(shí)。

 

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

 

對于混合信號嵌入式設計中的這類(lèi)信號完整性測量，MSO 的模擬和數字采集性能要遠比 通道數重要。示波器模擬采集性能的最基本指標是帶寬和采樣率。為進(jìn)行具有合理精度的 模擬測量，示波器帶寬至少應該是所關(guān)注信號最高頻率成分的五倍。例如，若需要用示波 器模擬通道檢測最大轉換時(shí)鐘頻率為 200 MHz 的數字信號，為能以合理精度捕獲到第 5 次諧波，示波器的模擬帶寬應達到 1 GHz。對于實(shí)時(shí)單次測量，示波器的采樣率應是示波 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，請下載閱讀是 德科技應用指南“針對您的應用選擇適當帶寬的示波器”和“評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字測量結果”（將在本文結尾部分列出）。

 

可惜有些示波器和邏輯分析儀的使用者并未充分認識到 MSO 和邏輯分析儀需要具有怎樣 的數字采集性能?；旌闲盘柺静ㄆ鱉SO 具有與示波器模擬采集性能相當的數字采集性能是非常重要的。 但這并不意味著(zhù)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 的數字 / 邏輯采集系統的采樣率至少應達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 示波器捕獲轉換 / 時(shí)鐘率為 200 MHz 數字信號 的模擬特性，而以合理的定時(shí)精度在 MSO 的數字 / 邏輯通道上捕獲同樣信號，則要求數 字 / 邏輯通道達到 2 GSa/s 的采樣率。

 

當您使用邏輯 / 數字采集通道時(shí)，測量分辨率被限制為 ±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 / 時(shí)鐘率捕獲數字信號，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(zhù)如果您的 MSO 數字采集系統用 2 GSa/s 的 最大速率采樣，那么在任一脈沖沿上的定時(shí)測量會(huì )達到 ±500 ps 的誤差，這對于時(shí)間差 測量來(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 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帶寬；包括模擬和數字系統探測的帶寬。 如果您要捕獲有超過(guò) 500 MHz 重要頻率分量的模擬或數字信號，就要在模擬通道上使用 有源探頭。同樣，數字采集系統的探頭也必須能夠為數字系統的采樣電路提供更高頻率的 信號，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。

 

混合信號觸發(fā)

 

對于模擬和數字 I/O 信號的特定互動(dòng)，MSO 的更多采集通道（與 DSO 相比）意味著(zhù)您現在有了更具針對性的更多觸發(fā)可能。雖 然 MSO 尚不具備高性能邏輯分析儀的各種復雜觸發(fā)能力，但也 已遠遠超過(guò)標準 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 MSO 和混合信號測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 更能提供具有復位 條件的兩種電平碼型序列觸發(fā)。但即使您使用相對簡(jiǎn)單的單電平 碼型觸發(fā)，也會(huì )發(fā)現各種 MSO 混合信號測量解決方案在觸發(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 和數字輸入的組合上觸發(fā)。對于有些混合信號測量解決方案，由 于其模擬通道和邏輯通道間的信號偏移，它們只能在采集系統的 一邊（模擬邊或數字邊）實(shí)施較為可靠的觸發(fā)。也就是說(shuō)您只 能在傳統的模擬觸發(fā)條件上，或僅在并行數字條件上觸發(fā)示波 器——而不能同時(shí)在兩種條件上觸發(fā)。MSO 應能提供混合信號 觸發(fā)能力，并且在觸發(fā)的模擬通道和數字通道確保精確的時(shí)間校 準。我們在本文后面還將給出需要在混合信號條件下進(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 MCU 控制的 DAC 同步示波器的模擬和數字采集。

 

對于碼型觸發(fā)的 MSO 混合信號測量解決方案來(lái)說(shuō)，還有一項重 要的考慮因素，就是看它是否帶有任何類(lèi)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 種不穩定。圖 4 是使用 Keysight 6000 X 系列 MSO執行碼型 CE （1100 1110）觸發(fā)的例子。屏幕上方清楚地顯示了信號的整體 情況，從中可以看到：總線(xiàn)上 DE 和 E4 之間的 CE 和 EE 是很不 穩定的跳變狀態(tài)。這應該就是用戶(hù)最不希望出現的觸發(fā)情況了。 此時(shí)，用戶(hù)可以使用示波器的時(shí)間限定菜單（Qualifier）為觸發(fā) 設定時(shí)間閾值。即：讓觸發(fā)狀態(tài)必須保持比規定的時(shí)間更長(cháng)或更 短；或者保持在規定的時(shí)間范圍內，或在規定的時(shí)間范圍外。

 

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

 

為避免在跳變的不穩定的條件下觸發(fā)，具備最小時(shí)間限定能力是 很重要的。當并行數字信號改變狀態(tài)時(shí)，切換過(guò)程可能為幾乎同 時(shí) — 但并非嚴格的同時(shí)。除了信號在非高非低時(shí)的有限上升和 下降速度外，即使是在經(jīng)過(guò)最好設計的系統中，信號間也會(huì )有微 小的延遲。這意味著(zhù)您的系統在信號切換時(shí)，始終存在跳變的 / 不穩定的信號條件。如有可能，您當然希望 DSO/MSO 或邏輯 分析儀能避免在這些不穩定條件下觸發(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)?；跇颖镜挠| 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)” 首先讓儀器對輸入信號隨機取樣，然后根據取樣數據建立觸發(fā)參 考點(diǎn)。這種類(lèi)型的觸發(fā)會(huì )產(chǎn)生明顯的觸發(fā)抖動(dòng)，這對于某些典型 邏輯分析儀可能是允許的，但對用于觀(guān)察重復信號的常規示波器 或 MSO 測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 是帶有混合信號選件，從而能根據取樣數據產(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)現所有模擬和數字輸入信號的觸發(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)

 

在這一混合信號測量實(shí)例中，各示波器都設置為在 MCU 數字輸 出端口的特定 8bit 碼型條件與數字輸入通道 D4（A4）上升沿同 步時(shí)觸發(fā)。為測量 D4（A4）信號的信號完整性，把示波器的一 個(gè)模擬通道設置為對這一同樣的數字信號作“雙倍檢測”。如您 在圖 5 中所見(jiàn)，示波器依據取樣數據的數字觸發(fā)產(chǎn)生了近似為 4ns 的峰峰觸發(fā)抖動(dòng)；這是因為其最大數字 / 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)，重復模擬跡線(xiàn)（中間的綠色跡線(xiàn)） 中有個(gè) 4 ns 的峰峰“拖影”。

 

圖 6 是使用 Keysight 混合信號示波器MSO 執行與上例相同的重復觸發(fā)測量，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(guān)察非常穩定的模擬跡線(xiàn)，即使觸發(fā)僅僅跨示波器 的數字和邏輯通道輸入。在使用示波器的一個(gè)模擬輸入通道時(shí)， 就能對重復輸入信號進(jìn)行更為精確的信號完整性測量。

 

在為您的混合信號嵌入式應用評估各種 MSO 混合信號測量解決 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 的特定地址和數據傳輸上觸發(fā)。串行 I/O 已在今天 的嵌入式設計中被普遍采用。我們在本文的下一部分將給出一個(gè) 例子，它要求根據混合信號嵌入式設計中的串行輸入命令，把串 行觸發(fā)與示波器對特定模擬輸出“chirp”信號的采集相同步。

 

啟用和調試真實(shí)混合信號嵌入式設計

 

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

 

該混合信號嵌入式產(chǎn)品的核心是 Microchip PIC18F452-/PT 微控 制器，它使用內部的 16bit 指令集工作。由于這種特殊的 MCU 有內部總線(xiàn)結構和一個(gè)包括嵌入的模數轉換器（ADC），因此該 混合信號器件及相應的外圍電路就成為用 MSO 設計和調試嵌入 式混合信號設計的極好例子。

 

這項設計的最終目標是依據各種模擬、數字和串行 I/O 輸入條件， 產(chǎn)生各種長(cháng)度、形狀和幅度的模擬“chirp”輸出信號（“chirp” 是包括特定周期數的 RF 脈沖模擬輸出信號，在航天國防和汽車(chē) 應用中常遇到“chirp”信號）。MCU 同時(shí)檢測如下三種輸入， 以確定輸出 chirp 信號的特性：

1. 用 MCU 上的一個(gè)并行數字 I/O 端口檢測用戶(hù)系統控制面板 的狀態(tài)，從而確定所產(chǎn)生輸出 chirp 信號的形狀（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 信號的幅度。

3. 使用 MCU 上的專(zhuān)用 I2 C 串行 I/O 端口檢測串行 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。這一 I2 C 通信輸入信號從該嵌入式設計中另一智能子系統部件產(chǎn)生。

 

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

 

圖 7. 依據模擬、數字和串行 I/O 產(chǎn)生模擬“chirp”輸出的混合信號嵌入式設計

 

在這項設計中，設計 / 編程 MCU 的第一步是，為 MCU 的 I/O 配置適當數量的模擬和數字 I/O 端口。嵌入式系統設計師要通盤(pán) 考慮 MicroChip 這種特殊微控制器中與數字 I/O 端口相配的模擬 I/O 數，以及與模擬 I/O 端口相配的數字 I/O 數。

 

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

 

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

 

圖 8 示出 Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕圖像，它捕獲 至外部 DAC（MCU 數字 I/O 端口輸出）的連續數字輸入，以及 DAC 的階梯波輸出和經(jīng)模擬濾波的輸出。由于這些特定信號是 電平相對低的輸出信號，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(guān)察該轉換器的階梯 波輸出特性（綠色跡線(xiàn)）。

 

把這一特定采集設置為當 DAC 輸出到達其最高輸出電平（屏幕 中央）時(shí)觸發(fā)。傳統示波器在這一特定點(diǎn)觸發(fā)是不可能的，因為 示波器觸發(fā)需要沿的跳變。為在輸出信號的這一點(diǎn)相位處觸發(fā)， 我們依據與外部 DAC 最高輸出模擬電平相一致的數字輸入信號， 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)， 設計師送入并行二進(jìn)制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時(shí) 間限定”碼型觸發(fā)，示波器始終在規定碼型的開(kāi)始處觸發(fā)，而絕 不會(huì )在不穩定的跳變的條件處觸發(fā)。

 

圖 9. 使用模擬和數字碼型觸發(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，還使用在并行數字輸入信號上的碼 型觸發(fā)。如前所述，并非所有 MSO 混合信號測量解決方案都允 許在模擬和數字條件上組合的混合信號觸發(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(xiàn)），示波器就能使用模擬和數字 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 中也示出對濾波輸出信號的自動(dòng)參數測量，包括相對未濾波 DAC 輸出的幅度、頻率和相移。

 

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

 

在啟用和驗證了外部 DAC 和模擬濾波電路的正確工作后，該設 計啟用過(guò)程的下一步是根據串行 I2 C 輸入產(chǎn)生規定的非重復正弦 波脈沖（chirp）數。圖 10 示出使用標準的示波器邊沿觸發(fā)，所 得到的不同長(cháng)度 chirp 的重疊（無(wú)限余輝）。而傳統示波器的沿 觸發(fā)是不可能限定在規定長(cháng)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)生規定長(cháng)度（脈沖數）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定串行地址和數據內容上的 I2 C 觸 發(fā)，在 3 周期 chirp 上觸發(fā)的能力。數據通道 D14 和 D15 分別 定義為 I2 C 時(shí)鐘和數據輸入觸發(fā)信號。實(shí)際上我們能把 16 個(gè)數 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這樣 2 個(gè)輸入信號的串行觸發(fā)。在監測串行輸入和模擬輸出信號的同時(shí)， D0-D7 設置為在“總線(xiàn)”疊加顯示中檢測外部 DAC 輸入（MCU 輸出）信號。

 

圖 12. I2C 信號可通過(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(xiàn)；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置為同時(shí) 檢測和采集來(lái)自加速度傳感器的模擬輸入信號，以確定輸出信號 的幅度。此外，未使用的 MSO 數字通道也可用于檢測和或進(jìn)一 步限定數控面板輸入和 / 或 LCD 輸出驅動(dòng)器信號上的觸發(fā)。

 

總結

 

混合信號示波器（MSO）是用于調試和驗證今天許多 基于 MCU 和 DSP 混合信號設計正 常工作的新工具。MSO 在一臺一體化的儀器上提供模擬和數字波形的時(shí)間相關(guān)顯示，以 及所有模擬和數字通道的強大混合信號觸發(fā)能力，因此能讓設計師使用他們熟悉的、基于 示波器用戶(hù)界面和使用方式的工具，更快地調試混合信號嵌入式設計。 今天市場(chǎng)上有著(zhù)各式各樣的 MSO 和綜合性的混合信號測量工具，在做出購買(mǎi)決定前，一 定要仔細評估這些儀器的測量能力和可使用性。

 

您應特別關(guān)注混合信號示波器MSO如下七項特性：

 

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 應當具備示波器的全部測量能力，同時(shí)不會(huì )犧牲其他特性，例如自動(dòng)定標，觸 發(fā)釋抑，無(wú)限余輝（適合模擬和數字通道）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 數字 / 邏輯通道采集系統的性能（采樣率和探測帶寬）要與示波器的模擬采集 系統性能相適配。

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

6. MSO 要能根據最小限定時(shí)間在碼型上觸發(fā)，從而避免在不穩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)的模擬和數字觸發(fā)——而非會(huì )在重復波形上 產(chǎn)生顯著(zhù)觸發(fā)抖動(dòng)的基于波形樣本的觸發(fā)。