混合信號示波器快速、精確測試嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

摘要：嵌入式設(shè)計在各種各樣的先進電子設(shè)備中發(fā)揮著不可或缺的作用，包括從移動電話和MP3播放器到醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)。此外，處理器單元、各種模擬和數(shù)字功能塊也大量使用。當(dāng)定時相關(guān)很關(guān)鍵時，在不同功能塊中同時進行信號分析，是開發(fā)和測試這類系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。然而，羅德與施瓦茨公司（Rs）RTE混合信號示波器非常適合完成這項任務(wù)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/263376.htm關(guān)鍵詞：定時；測試；混合信號示波器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.9.020

除了模擬通道，先進的混合信號示波器也包括用來分析數(shù)字邏輯狀態(tài)和協(xié)議信息的數(shù)字通道。在對新模塊進行初始化操作時，嵌入式設(shè)計開發(fā)人員需要執(zhí)行一系列各類測量。除了串行和并行數(shù)據(jù)總線上的數(shù)字信號以外，還需要分析來自如A/D轉(zhuǎn)換器和電源這類組件的模擬信號。由于開發(fā)周期不斷縮短，盡快完成這類分析工作的壓力持續(xù)增加。這就是為什么能夠提供可靠測量結(jié)果的全面綜合測量工具對今天的開發(fā)人員至關(guān)重要的原因。

圖1顯示為包含A/D轉(zhuǎn)換器的模塊。本篇文章將討論如何使用先進的混合信號示波器（Mixed SignalOscilloscope，MSO）高效分析這類模塊。這里重要的是評估模擬信號特性，以及A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號質(zhì)量。就其數(shù)字電路而言，A/D轉(zhuǎn)換器輸出必須正常工作，SPI控制指令必須正確解碼。當(dāng)然，時鐘信號對A/D轉(zhuǎn)換器正常運行也起重要作用。最后，必須測試電源質(zhì)量。

快速表征模擬信號

作為調(diào)試過程的第一步，用示波器觀察主要感興趣信號，本例是A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號，看看信號中是否存在如毛刺或矮脈沖之類的任何罕見故障。RS RTE先進數(shù)字示波器提供高達每秒1百萬個波形的高波形捕獲率，能夠以很高概率快速地定位并消除系統(tǒng)缺陷。

RS RTE QuickMeas功能使用戶能夠快速瀏覽信號特征。對于選擇的信號，QuickMeas同時顯示多個用戶定義測量參數(shù)的結(jié)果。圖2顯示同時測量A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的頻率、峰峰值電壓和RiMS值。如果用戶想要測量的參數(shù)不在QuickMeas測量結(jié)果之列，則可以激活附加的自動測量功能，包括參數(shù)統(tǒng)計。高波形捕獲率和處理速度對統(tǒng)計分析來說至關(guān)重要，因此，即使是復(fù)雜的測量也能快速處理。

除了基波和諧波，RS RTE可以檢測和分析信號頻譜中其他的影響和干擾因素、如突發(fā)信號或間歇信號。為了實現(xiàn)弱信號檢測和精細測量，示波器必須有低噪聲的模擬前端，該前端要有寬動態(tài)范圍和沒有帶寬限制的高輸入靈敏度。RS RTE提供的FFT功能使用戶工作起來更加輕松：操作只需輸入中心頻率、頻率帶寬和分辨率帶寬。并行數(shù)據(jù)總線分析

集成化邏輯分析使得示波器能顯示與模擬波形時間相關(guān)的數(shù)字信號。RS RTE混合信號選件將示波器轉(zhuǎn)換成具有16條數(shù)字通道且易于使用的MSO示波器。在本例中，A/D轉(zhuǎn)換器輸出有9路信號（對應(yīng)8個數(shù)據(jù)位和時鐘信號）。針對時鐘信號的有效沿來確定總線的邏輯狀態(tài)。用戶根據(jù)實際總線拓撲結(jié)構(gòu)配置并行總線、定義哪些數(shù)字通道是總線的一部分，以及定義二進制判決門限。RS RTE示波器支持同時解碼4路并行總線或串行總線。每個總線用屏幕邊緣上的信號欄圖標(biāo)表示。無論其他設(shè)置如何，該圖標(biāo)顯示所有激活邏輯通道目前的狀態(tài)（高、低、切換），給用戶一個總線活動的快速概覽。這也包括未在圖中顯示的通道。當(dāng)然，解碼的總線可以用總線數(shù)據(jù)格式顯示。如圖3所示，在分析A/D轉(zhuǎn)換器輸出時，用模擬波形顯示解碼更為合適。例如，這樣能夠直接比較轉(zhuǎn)換器的輸入信號和輸出信號，以及測量兩個信號間的時間偏移。輸出信號中出現(xiàn)的任何畸變將一目了然。

在模擬總線顯示中頻繁出現(xiàn)的尖峰（參閱圖3）清晰指出模塊設(shè)計存在問題。之所以能夠觀察到這些窄的尖峰是因為每條數(shù)字通道有5 Gsample/s的高采樣率，它等價于200ps的時間分辨率。在RS RTE中，這個采樣率可在整個100 Msample存儲深度范圍使用。因此即使是在可以檢測到該觸發(fā)點很長時間后出現(xiàn)的尖峰也可看到。合乎邏輯的假設(shè)是這樣的尖峰是由建立時間和保持時間違規(guī)的定時問題引起的。建立時間決定在下一個時鐘沿到來前數(shù)據(jù)信號必須存在多長時間，保持時間指出在時鐘沿生效后數(shù)據(jù)信號必須保持不變多長時間。為了測試我們的假設(shè)是否正確，我們所要做的就是在示波器中，相對數(shù)據(jù)信號來水平偏移時鐘信號。RS RTE示波器能夠相對所有其他通道，單獨偏移任何數(shù)字通道（參閱圖4）。如在圖5中看到的，在本例中，僅2ns的偏移即足以消除模擬總線圖像中的尖峰?；谶@一認(rèn)識.用戶可以審查設(shè)計，并對信號路徑長度做出任何必要的改動。測試串行通信

A/D轉(zhuǎn)換器輸出由SPI接口控制。這里，開發(fā)人員必須驗證傳輸過程工作正常，編程接口和模塊運行之間的時序相互關(guān)系是否符合規(guī)范。

除了傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)以外，串行總線信號還包括嵌入在幀內(nèi)的控制和地址信息。因此，對包含串行數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)進行調(diào)試需要額外軟件支持。如果示波器能夠?qū)Υ袇f(xié)議內(nèi)容進行觸發(fā)并顯示解碼消息，那么隔離特定協(xié)議事件將變得很容易。因此，示波器必須支持觸發(fā)和解碼廣泛使用的串行接口協(xié)議，如I²C、UART/RS-232、CANS和SPI。

圖6顯示啟動A/D轉(zhuǎn)換器的SPI指令序列。除了被解碼總線的協(xié)議細節(jié)以外，還可看到各個數(shù)字線的二進制狀態(tài)（時鐘、片選信號、數(shù)據(jù)）。這個清晰的圖像可以很容易確定消息內(nèi)容是否正確。如果需要，也可以用表格格式列出協(xié)議解碼信息。

當(dāng)測試SPI通信時，用戶可以盡量減小A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號和輸出并行數(shù)據(jù)總線的顯示，以便充分利用整個屏幕。然而，這些信號清晰的概覽仍然保留在屏幕邊緣上最小化的縮小視圖中（參閱圖6）。

調(diào)試過程中另一個重要環(huán)節(jié)是確定SPI指令結(jié)束時刻和A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號開始時刻之間的響應(yīng)時間。光標(biāo)功能可以輕松測量時間差。在RSRTE上，用戶只需拖住A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號最小化圖標(biāo)回到屏幕即可顯示?？梢栽谕淮翱诨蚍珠_在兩個窗口中顯示sPI序列和并行總線，如圖7所示。接著，應(yīng)減小示波器的時基，直到可以執(zhí)行有意義的測量。圖8顯示在能夠充分定位光標(biāo)的窗口中的測量結(jié)果。

總結(jié)

混合信號示波器是開發(fā)和調(diào)試新電子電路最重要的測試儀器之一。無論對于分析信號完整性的硬件開發(fā)人員，還是對于分析信號內(nèi)容的軟件開發(fā)人員，它們都是重要工具。羅德與施瓦茨公司的RS RTE示波器支持時域、邏輯、協(xié)議和頻率分析。此外，集成在有源探頭頂部的高精密直流電壓表（測量誤差±0.1%）可方便回答諸如“電源電壓正確嗎？”和“疊加了直流電壓嗎？”這類問題。因此，嵌入式設(shè)計的不同組件，以及它們的相互作用，可以僅用一臺測試儀器分析。為用戶帶來的好處包括：簡單的測試設(shè)置，直觀的用戶界面，以及模擬波形、數(shù)字信號和協(xié)議細節(jié)同步可視化。