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據產(chǎn)業(yè)消息來(lái)源的估計，目前大約有百分之七十的電子工程師所從事的設計都大量混合了模擬和數字信號的成份，因此，設計人員愈來(lái)愈需要具備能夠將設計內的模擬和數字器件或芯片間的信號時(shí)間相互關(guān)聯(lián)的能力。此外，高速的數字信號更加需要深入測量其信號質(zhì)量，因為這攸關(guān)信號完整性的容限大�。╯ignal integrity margin）。針對特定的測量選擇合適的測試設備時(shí)，有效性、效率、以及價(jià)格/性能比是最主要的考慮因素。Johnnie Hancock在一篇標題為「運用MSO混合信號示波器偵測及找出嵌入式混合信號設計的問(wèn)題」的應用文章中，探討了選擇測試設備時(shí)，需要考慮的主要因素，包括：通道數、帶寬、采樣率、以及MSO混合信號示波器（如安捷倫科技的MSO6000系列示波器）具備的各種類(lèi)型的混合信號觸發(fā)能力。本文將介紹一個(gè)更先進(jìn)的產(chǎn)品所提供的獨特價(jià)值，那就是新近推出的MSO8000系列混合信號示波器。我們將為讀者說(shuō)明MSO8000支持的一些獨特功能，這些功能可以協(xié)助使用者找出各種信號問(wèn)題，這是其它測量解決方案，例如傳統「數字示波器加上邏輯分析儀的組合」，所無(wú)法取代的。 找出死鎖問(wèn)題的根本原因 安捷倫科技的工程團隊最近在設計一塊新的數據采集電路板（acquisition board）時(shí)，遭遇到一個(gè)難纏的問(wèn)題，這塊板子一般時(shí)候都可以正常運作，但偶而卻會(huì )死機。團隊人員利用Windows debugger確定了造成死鎖（lock-up）的原因是：有一個(gè) “配置寫(xiě)入”周期有時(shí)候無(wú)法收到確認信號。他們修改固化軟件，重復“配置寫(xiě)入”，將死鎖情形的出現頻率由每隔幾小時(shí)提高到每隔幾分鐘出現一次。圖1a顯示了利用MSO8104A示波器的狀態(tài)觸發(fā)能力，在總線(xiàn)信號處理權交還給CPU后，第一次開(kāi)始尋址那一時(shí)刻的結果。由圖中可以看出與時(shí)鐘信號有關(guān)的一個(gè)異常的電壓跌落，這是因相鄰地址線(xiàn)的電容耦合所造成的。在圖1b中可以看出,在較長(cháng)的時(shí)基范圍下檢視這些信號，當電路進(jìn)入死鎖的狀態(tài)時(shí)，系統中一些周期性出現的信號會(huì )停止改變狀態(tài), ,設計團隊運用示波器的“逾時(shí)”（time-out）觸發(fā)能力，成功隔離出死鎖的狀況，并依據邏輯信道在死鎖的狀態(tài)，找出了時(shí)序的問(wèn)題。 圖1a 圖1b 重要事件的出現頻率 在圖1a所示的例子中，出現系統死鎖情形的概率/頻率非常低 －大約每2到8小時(shí)才出現一次。此處需要設想的問(wèn)題是：如果工程師無(wú)法利用debugger將問(wèn)題復制出來(lái)怎么辦？我們要如何確定該問(wèn)題與“配置寫(xiě)入”周期之外的其它總線(xiàn)周期無(wú)關(guān)呢？所幸，安捷倫科技的MSO8000系列示波器提供了一個(gè)稱(chēng)為“分段式存儲”（segmented memory）的先進(jìn)功能，可透過(guò)優(yōu)化調整示波器存儲器的設置和重新預準備（re-arm）時(shí)間，讓該特定總線(xiàn)周期只要一出現，示波器就把它捕獲下來(lái)，可以連續捕獲數千個(gè)該特定動(dòng)作對應的總線(xiàn)周期信號，圖2a顯示的就是一個(gè)例子。 圖2a 圖2b MSO混合信號示波器的模擬信道和數字信道的采集存儲器可被分為許多段，當示波器的觸發(fā)條件第一次出現的時(shí)候，波形數據會(huì )被填入第一段的存儲器，當觸發(fā)條件第二次出現時(shí)，則會(huì )填入第二段的存儲器，依此類(lèi)推。在圖2b顯示的例子中，利用示波器的分段式存儲器采集模式，依序采集到出現了1000次的重要事件。事實(shí)上，利用MSO8000的采集存儲器(示波器通道選件深達128 M，邏輯信道是標配每信道32M)，最多可以采集32,000段的波形。在采集到指定的區段數之后，可以使用熒屏右下方的瀏覽控制鍵，輕易地逐一回放每個(gè)區段，以便清楚地查看信號異常是否只與示波器的邏輯信道所采集到的一個(gè)重要時(shí)序事件有關(guān)，或是DUT還有其它關(guān)鍵的總線(xiàn)動(dòng)作也會(huì )造成信號異常的現象？分段式存儲器采集模式同時(shí)支持示波器信道和邏輯信道，對內嵌式系統設計的除錯有很大的幫助，因為這種設計大多是以狀態(tài)機（state machine）為主，您可以透過(guò)邏輯信道來(lái)設定觸發(fā)條件，觀(guān)察每一個(gè)狀態(tài)的信號行為。 瀏覽控制功能不僅在使用分段式存儲器采集模式時(shí)可以使用，而且在串行總線(xiàn)譯碼模式下也可以使用。圖3所示為I2C總線(xiàn)的信號，與譯碼窗口內的信號是時(shí)間相互關(guān)聯(lián)的。雖然I2C不是一種高速的串行總線(xiàn)，而且就這種低速總線(xiàn)的時(shí)鐘與數據信號而言，信號完整性的問(wèn)題可能也不是主要的考慮點(diǎn)，但是利用這種通訊信號進(jìn)行觸發(fā)，并且讓示波器同步進(jìn)行采集，或許可以揭露出系統中其它時(shí)間相互關(guān)聯(lián)之模擬和/或高速數字信號的信號完整性問(wèn)題。在某些情況下，我們可能會(huì )知道待測信號或許會(huì )出現問(wèn)題，但卻不知道何時(shí)會(huì )發(fā)生問(wèn)題，或是問(wèn)題跟哪個(gè)信號有關(guān)。在串行總線(xiàn)譯碼功能的協(xié)助下，示波器可以顯示出圖3a中的情形：只有當一個(gè)特定的I2C讀取動(dòng)作發(fā)生時(shí)，才會(huì )出現一個(gè)雙周期的雷達chirp輸出信號。您可以瀏覽譯碼列表窗口中的每一個(gè)讀取動(dòng)作，以驗證該特定的事件（其它相關(guān)信號）是否有發(fā)生。這個(gè)概念與FPGA的除錯方式很類(lèi)似，安捷倫科技的MSO8000支持Xilinx FPGA內部節點(diǎn)自動(dòng)切換和測試，可以將FPGA內部節點(diǎn)（＞ 1000個(gè)多個(gè)待切換測試的節點(diǎn)）與外部信號的時(shí)間相互關(guān)聯(lián)來(lái)顯示和分析（這個(gè)主題不在這篇文章的討論范圍內）。一旦工程師知道這些問(wèn)題何時(shí)會(huì )發(fā)生，以及問(wèn)題與哪個(gè)信號和/或總線(xiàn)周期相關(guān)聯(lián)之后，通常就可以快速地解決設計的問(wèn)題。 圖3 InfiniiScan = 問(wèn)題找尋工具 很多時(shí)候，想要找出設計中的串行接口與并行總線(xiàn)的潛在問(wèn)題是相當耗費時(shí)間的事情，特別是當問(wèn)題出現地相當隨機和/或出現的頻率不高時(shí)。設計工程師有時(shí)候會(huì )修改固化軟件(韌體/HDL)，讓系統進(jìn)入一種特殊的反復循環(huán)來(lái)試著(zhù)復現問(wèn)題，也就是藉由強迫出現特定條件的方式，讓問(wèn)題比較容易出現，如前所述。但即使采用這種方法，如果手上沒(méi)有創(chuàng )新設計的利器，有時(shí)候依然很難隔離和找出問(wèn)題點(diǎn)。 圖4a 圖 4b 您在設計時(shí)可能會(huì )碰到許多不同類(lèi)型的信號問(wèn)題，例如設定（set up）和保持（hold）時(shí)間違規、過(guò)多的過(guò)沖與振鈴（ringing）問(wèn)題、隨機出現的毛刺、甚至是可能在不對的時(shí)間不對的空間出現不該有的脈沖信號等。要找出這些問(wèn)題可能會(huì )有一定的難度，特別是如果問(wèn)題不常出現或如果您不知道發(fā)生的原因時(shí)，又會(huì )更加地困難。安捷倫科技的MSO8000系列示波器最近推出了一項稱(chēng)為“InfiniiScan”的新功能，可協(xié)助找出各種信號問(wèn)題 －如信號出現在不該出現的地方、或是該出現時(shí)卻沒(méi)有出現的問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，圖4a顯示的叢發(fā)脈沖串就是在最后一個(gè)完全傳送的比特(位)之后，原本不應該再出現脈沖，卻又跑出一個(gè)脈沖信號的情形，如圖4a所示，在最后一個(gè)比特（位）之后大約600 ns的地方，有時(shí)候會(huì )隨機出現一個(gè)突波。此時(shí)您可以使用鼠標（或是用您的手指在觸控式熒屏上操作），在不應該出現信號的范圍拉出一個(gè)“方框”，告訴示波器如果其顯示屏的這個(gè)方形區域/范圍內出現信號異常狀況/脈沖時(shí)，就停止反復采集的動(dòng)作，或是只顯示出有問(wèn)題的狀況，接下來(lái)示波器就只會(huì )顯示含有問(wèn)題脈沖的采集畫(huà)面了。 圖4b所示為一個(gè)時(shí)鐘信號的問(wèn)題，其中的壓降造成一個(gè)錯誤的時(shí)鐘脈沖。為了采集這個(gè)特殊的問(wèn)題，我們利用InfiniiScan設定了一個(gè)雙區域的掃描范圍，第一個(gè)區域定義為“信號必須通過(guò)” 的范圍，第二個(gè)區域則定義為“信號不可通過(guò)” 的范圍。 除了指定必須通過(guò)/不可通過(guò)的“范圍”組合之外，InfiniiScan也可以設定為只顯示包含”指定之合格和/或不合格參數量測結果”的采集畫(huà)面。圖5 是一個(gè)設定示波器來(lái)同時(shí)監測五組量測的例子，當任何一組參數量測的結果超過(guò)了指定的限制范圍時(shí)，就會(huì )將波形存儲下來(lái)或停止波形采集。接下來(lái)，您還可以運用 InfiniiScan的瀏覽控制功能，輕松地在“不符合限制測試條件” 的波形上掃視任何位置的波形，查看信號的細節。 圖5 高階的應用：LA＋DSO或 LA＋MSO？ 大部分的MCU和DSP內部都有地址和數據線(xiàn)，因此通常由外部無(wú)法監測這些地址和數據線(xiàn)。大部分內嵌了MCU/DSP的設計中需要監測的外部信號一般會(huì )包括數字I/O（每個(gè)通常最多8位）、控制線(xiàn)、串行總線(xiàn)線(xiàn)（如I2C或SPI）、以及一些模擬I/O信號（如A/D、D/A和傳感器的輸入信號）。不論 MCU/DSP 本身是多少位（8、16或32位），使用4+16信道的MSO混合信號示波器來(lái)檢視這些類(lèi)型的信號都相當合適不過(guò)。然而，對某些需要的通道數超過(guò)20個(gè)的高階應用來(lái)說(shuō)，例如有外部總線(xiàn)的微處理器系統，或許需要考慮使用時(shí)間相互關(guān)聯(lián)的雙機解決方案：邏輯分析儀＋示波器。LA＋DSO/MSO解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)之一是示波器信道和邏輯分析儀信道之間的時(shí)間可以相互關(guān)聯(lián)，不僅是模擬和數字波形的時(shí)間是相互關(guān)聯(lián)的，而且兩部?jì)x器之間的時(shí)序光標也可以相互關(guān)聯(lián)(如使用安捷倫的邏輯分析儀和示波器組合方案)，這表示無(wú)論您將邏輯分析儀顯示屏上的時(shí)序光標移到什么地方，示波器上相關(guān)聯(lián)的時(shí)序光標也會(huì )移到同一個(gè)時(shí)間關(guān)聯(lián)的位置。這雖是一項簡(jiǎn)單的功能，但除非您使用的是安捷倫科技的DSO/MSO＋邏輯分析儀，否則目前市面上所有的LA＋DSO解決方案都無(wú)法提供這樣的功能。 由于MSO和邏輯分析儀都能提供多個(gè)邏輯采集信道，您可能會(huì )直覺(jué)地認為將MSO和邏輯分析儀的時(shí)間相互關(guān)聯(lián)是多余的，但事實(shí)上，當您需要較多的通道時(shí)，MSO＋LA通常才是最佳的解決方案（相較于DSO＋LA），主要的原因在于MSO的許多功能都無(wú)法由“DSO＋LA”的組合來(lái)取代。雖然使用時(shí)間上相互關(guān)聯(lián)的DSO＋LA，可以讓您在同一個(gè)熒屏（LA的熒屏）上顯示所有的示波器波形和邏輯波形，但不幸的是，您將無(wú)法看到“活生生”、實(shí)時(shí)更新的顯示畫(huà)面(邏輯信道和示波器信道在一個(gè)屏幕上同時(shí)更新)。做為一種除錯工具，波形更新速率是非常重要的，會(huì )影響您能否揭露出設計中隱藏的問(wèn)題，另外一個(gè)實(shí)際例子是，若要觀(guān)察DDR信號的讀眼圖或寫(xiě)眼圖，您必須同時(shí)連接時(shí)鐘信號、片選信號、寫(xiě)使能、行選、列選并它們狀態(tài)設置成和讀操作或寫(xiě)操作，同時(shí)用示波器的某個(gè)通道觀(guān)察數據信號的眼圖，該測量一方面需要快速波形更新率，另一方面要求邏輯通道的觸發(fā)抖動(dòng)很小，這兩點(diǎn)都是“DSO＋LA”組合方案無(wú)法做到的。此外，安捷倫科技的MSO也是唯一可以同時(shí)對示波器信道和邏輯信道同時(shí)進(jìn)行觸發(fā)條件設定的（混合信號觸發(fā)）工具。最后，如果20個(gè)混合模擬和數字信號的采集信道對您的應用大部分時(shí)間來(lái)說(shuō)已經(jīng)夠用了，那么MSO就可以做為您主要的首選工具，而不一定要將兩部?jì)x器合在一起，換句話(huà)說(shuō)，您大部分的應用只要使用MSO就夠了，唯有在必要時(shí)，才需結合MSO和邏輯分析儀，這時(shí)利用兩臺儀器的全局光標功能時(shí)間相關(guān)地同屏或分屏顯示和分析信號。 結語(yǔ) 當您考慮要購買(mǎi)下一部測試設備，以測試混合信號的設計時(shí)，了解不同解決方案的獨特價(jià)值將能協(xié)助您做出正確的選擇。安捷倫科技建議使用MSO或MSO＋LA 的解決方案（視您的預算和量測需求而定），這樣就足以協(xié)助您既有效又有效率地找出和解決各種問(wèn)題了。安捷倫科技的MSO8000不僅是一部混合信號示波器，也是一套可以協(xié)助您找出許多電路問(wèn)題根本原因的工具。 |
