混合信號示波器，簡稱MSO(Mixed-signaloscilloscopes)是用于邏輯分析功能的設(shè)備。混合信號示波器這個稱呼沿襲了原HP(今Agilent)在1996年推出54645D時的說法，當時混合信號mcu正在興起，HP正是看好這個機會才推出了混合示波器，當時HP的宣傳是，首先它是一臺示波器，其次還能添加邏輯分析功能。

?混合信號示波器(Mixed-signal oscilloscope，簡稱MSO)是一種結(jié)合了數(shù)字存儲示波器(DSO)和邏輯分析儀功能的測試儀器?。它能夠在同一顯示屏幕上同時顯示多個時間對齊的模擬和數(shù)字波形，從而方便設(shè)計師在調(diào)試混合信號嵌入式設(shè)計時進行綜合分析和故障排查?12。

混合信號示波器的主要功能和應(yīng)用場景

混合信號示波器的主要功能包括：

?模擬和數(shù)字通道的測量?：能夠同時測量和分析模擬信號和數(shù)字信號，適用于基于微控制器(MCU)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)的嵌入式設(shè)計。

?自動定標、觸發(fā)釋抑、無限余輝以及探頭/通道偏移校正?：這些功能使得混合信號示波器在測試和調(diào)試過程中更加靈活和準確。

?混合信號觸發(fā)?：能夠根據(jù)模擬或數(shù)字信號觸發(fā)，幫助設(shè)計師捕捉到關(guān)鍵的信號變化，從而更好地理解系統(tǒng)的行為?23。

混合信號示波器的技術(shù)指標

在使用混合信號示波器進行測試時，關(guān)鍵的技術(shù)指標包括：

?通道數(shù)?：根據(jù)設(shè)計需求選擇合適的通道數(shù)，通常需要足夠多的通道來覆蓋系統(tǒng)中的所有信號。

?帶寬和采樣率?：這些參數(shù)決定了示波器能夠測量的信號頻率范圍和精度，對于高頻率的信號測試尤為重要。

?混合信號觸發(fā)類型?：選擇合適的觸發(fā)類型可以提高測試的效率和準確性，常見的觸發(fā)類型包括邊緣觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等?2。

”今天基于微控制器(MCU)和數(shù)字信號處理器(DSP)的嵌入式設(shè)計一般都會同時帶 有模擬信號和數(shù)字信號成分。傳統(tǒng)上，設(shè)計師是用示波器和邏輯分析儀進行測試和調(diào) 試;而現(xiàn)在，新一類測量工具——混合信號示波器(MSO)——已經(jīng)能夠提供更好的 方法來調(diào)試這些 MCU 基和 DSP 基混合信號嵌入式設(shè)計。雖然 混合信號示波器MSO 在市場上出現(xiàn)已將近 20 年，但大多數(shù)工程師卻從未接觸過這種儀器，許 多工程師對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)字時間相關(guān)測量能力的混合型時域儀器，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始，簡要介紹了 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)計中，為有效檢測各種模擬和數(shù)字 I/O 信號所需要的 通道數(shù)、帶寬和采樣率;還探討了為有效測試和調(diào)試嵌入式設(shè)計，您所要求于 MSO 的各種混合信號觸發(fā)類型;所選用的混合信號嵌入式設(shè)計實例是基于 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)量時典型的調(diào)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(shù)字存儲示波器(DSO)的所有測量能力(包括自動定標， 觸發(fā)釋抑，模擬和數(shù)字通道的無限余輝以及探頭 / 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，您就能在同一個顯示器上看到如圖 1 所示在時間 上對準的模擬和數(shù)字波形。雖然 MSO 可能缺少全效邏輯分析儀的許多先進數(shù)字測量能力 和龐大的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，但對于今天的許多嵌入式設(shè)計調(diào)試應(yīng)用，MSO 仍有一些超過 傳統(tǒng)上同時使用示波器和邏輯分析儀的獨特優(yōu)點。

混合信號示波器MSO的主要優(yōu)點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)計和測 試工程師往往會盡量避免使用邏輯分析儀——即使是在需要高效調(diào)試復雜設(shè)計時——因為 掌握邏輯分析儀的使用方法要花費大量時間。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(shè)置也比設(shè)置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進測量能力也增 加了復雜程度，通常會給今天的許多基于 MCU 和 DSP 設(shè)計帶來約束。

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(shè)計師都有用示波器對混合信號 嵌入式設(shè)計進行信號質(zhì)量和定時測量的基本操作知識。但對于監(jiān)視和測試多個模擬和數(shù)字 信號間的重要定時互動，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，而且操作難度沒有明顯增加，因此 正是調(diào)試嵌入式設(shè)計的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式屬示波器類型。事實上， 您可簡單地把 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。

圖 1. Keysight InfiniiVision X 系列混合信號示波器(MSO)

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(yīng)遲鈍都 會影響正常使用，這對于 DSO 和 MSO 也是同樣道理。因此當示波器廠商把邏輯采集通道 置入 DSO 構(gòu)成 MSO 時，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 之類的外部通信總線來連接 邏輯接口就會反應(yīng)遲鈍和難以使用。而基于高度集成硬件架構(gòu)的 MSO 則有遠為敏捷的響 應(yīng)，用起來也容易得多。

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(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》。

在購買 MSO 之前的評估過程中，您首先要對各廠家印刷手冊和在線資料(技術(shù)概覽)中 描述的工作特性和測量性能做個比較。這對于評估儀器的可使用性和響應(yīng)能力具有一定的 參考價值;但唯一最有效的方法還是要親自上手，進行實際檢驗。

典型 混合信號示波器MSO測量應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) — 模擬和數(shù)字信號的重要工具，但它們的主要測量應(yīng)用還包括驗證和調(diào)試帶有嵌入地址 和數(shù)據(jù)總線的 MCU/DSP 基混合信號設(shè)計。圖 2 是具有微控制器內(nèi)核的典型混合信號嵌入 式設(shè)計的框圖。

盡管人們一般認為微控制器和 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(tǒng)中的這些 信號，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 中的框圖沒有示出任何地址或數(shù)據(jù)總線信號。這是因為：大多數(shù) MCU 和 DSP 具有包括嵌入存儲器(RAM 和 ROM)的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。

由于今天的 混合信號示波器MSO 一般有 16 個數(shù)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(yīng)用(8bit 數(shù)據(jù)+ 8bit 地址 = 8 至 16 個通道)。但 MSO 主要用于檢測模 擬和數(shù)字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 設(shè)計中能夠得到的所有信號。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 中的處理比特數(shù)相關(guān)聯(lián)，因為它們 通常沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系。為檢測和驗證 8bit、16bit，有時甚至是 32bit 的 MCU/DSP 設(shè)計，16 個數(shù)字采集通道及 2 個到 4 個模擬采集和觸發(fā)通道一般是富富有余的。

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

圖 2. 典型 MCU 基嵌入式設(shè)計

如果需要捕獲多個地址和數(shù)據(jù)總線信號，以驗證基于外部總線系統(tǒng)中的定時和源碼碼流， 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。但假若您同時還需要模 擬信號和或數(shù)字信號的模擬特性具有時相關(guān)性，那么多家廠商的雙機解決方案(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，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(tǒng)中，具有 16 個邏輯定時通道及 2 個或 4 個 模擬通道的 MSO 對于測量關(guān)鍵定時參數(shù)通常也是足夠的。圖 3 是使用 MSO 在一個 32bit 系統(tǒng)中(IBM PowerPC 405 GP)驗證高速存儲器器件(SDRAM)建立時間的例子。使用 MSO 的碼型觸發(fā)能力，只需 4 個 MSO 數(shù)字通道就能完成對特定讀寫指令(CS、RAS、 CAS 和 WE)的測量。再用示波器的模擬通道進一步限定在一個高速時鐘信號沿上觸發(fā)， 并在對應(yīng)特定數(shù)據(jù)信號(中間的綠色跡線)的 100 MHz 時鐘信號上(上面的黃色跡線) 做關(guān)鍵的定時測量，從而得到對該外部存儲器器件的測量，測得建立時間為 8 ns。用常規(guī) 2 通道或 4 通道 DSO 進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 析儀進行這種測量則極為費時。

圖 3. 在 32 bit 系統(tǒng)中用 MSO 進行關(guān)鍵的建立時間測量

對于混合信號嵌入式設(shè)計中的這類信號完整性測量，MSO 的模擬和數(shù)字采集性能要遠比 通道數(shù)重要。示波器模擬采集性能的最基本指標是帶寬和采樣率。為進行具有合理精度的 模擬測量，示波器帶寬至少應(yīng)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(zhuǎn)換時鐘頻率為 200 MHz 的數(shù)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(yīng)達到 1 GHz。對于實時單次測量，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，請下載閱讀是 德科技應(yīng)用指南“針對您的應(yīng)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(shù)字測量結(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識到 MSO 和邏輯分析儀需要具有怎樣 的數(shù)字采集性能。混合信號示波器MSO 具有與示波器模擬采集性能相當?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分析儀的簡單組合。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 / 時鐘率為 200 MHz 數(shù)字信號 的模擬特性，而以合理的定時精度在 MSO 的數(shù)字 / 邏輯通道上捕獲同樣信號，則要求數(shù) 字 / 邏輯通道達到 2 GSa/s 的采樣率。

當您使用邏輯 / 數(shù)字采集通道時，測量分辨率被限制為 ±1 個采樣周期。例如，如果您打 算用 200 MHz(周期 = 5ns)的最大跳轉(zhuǎn) / 時鐘率捕獲數(shù)字信號，每個高或低脈沖可能會 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測量會達到 ±500 ps 的誤差，這對于時間差 測量來說就是最壞條件下的 1 ns 峰峰誤差，即 2.5 ns 脈沖上的 40% 誤差。我們相信無論 是對于 MSO 還是邏輯分析儀，超過 40% 的定時誤差都是無法接受的，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帶寬;包括模擬和數(shù)字系統(tǒng)探測的帶寬。 如果您要捕獲有超過 500 MHz 重要頻率分量的模擬或數(shù)字信號，就要在模擬通道上使用 有源探頭。同樣，數(shù)字采集系統(tǒng)的探頭也必須能夠為數(shù)字系統(tǒng)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脈沖。

混合信號觸發(fā)

對于模擬和數(shù)字 I/O 信號的特定互動，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 已遠遠超過標準 2 通道或 4 通道示波器的有限觸發(fā)能力。

今天市場上的多數(shù) 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單的單電平 碼型觸發(fā)，也會發(fā)現(xiàn)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是，MSO 要能在模擬 和數(shù)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(tǒng)的 一邊(模擬邊或數(shù)字邊)實施較為可靠的觸發(fā)。也就是說您只 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——而不能同時在兩種條件上觸發(fā)。MSO 應(yīng)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(shù)字通道確保精確的時間校 準。我們在本文后面還將給出需要在混合信號條件下進行觸發(fā)的 另一個例子。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(shù)字采集。

對于碼型觸發(fā)的 MSO 混合信號測量解決方案來說，還有一項重 要的考慮因素，就是看它是否帶有任何類型的時間限定。除送入， 與 / 或退出觸發(fā)限定外，碼型觸發(fā)條件還應(yīng)包括最小時間限定條 件。為說明這一點，一種簡單的方法就是：先在不穩(wěn)定的跳變狀態(tài)下進行觸發(fā);然后再來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，用戶可以使用示波器的時間限定菜單(Qualifier)為觸發(fā) 設(shè)定時間閾值。即：讓觸發(fā)狀態(tài)必須保持比規(guī)定的時間更長或更 短;或者保持在規(guī)定的時間范圍內(nèi)，或在規(guī)定的時間范圍外。

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

為避免在跳變的不穩(wěn)定的條件下觸發(fā)，具備最小時間限定能力是 很重要的。當并行數(shù)字信號改變狀態(tài)時，切換過程可能為幾乎同 時 — 但并非嚴格的同時。除了信號在非高非低時的有限上升和 下降速度外，即使是在經(jīng)過最好設(shè)計的系統(tǒng)中，信號間也會有微 小的延遲。這意味著您的系統(tǒng)在信號切換時，始終存在跳變的 / 不穩(wěn)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(wěn)定條件下觸發(fā)。