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1 引言
對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，其承擔(dān)的任務(wù)越多，系統(tǒng)也就越復(fù)雜。與此同時(shí)，數(shù)字器件與模擬器件之間的接口種類和數(shù)量也隨之增長(zhǎng)。單獨(dú)一個(gè)設(shè)計(jì)就有可能采用單bit信號(hào)、時(shí)鐘型或非時(shí)鐘型并行數(shù)據(jù)總線和串行數(shù)據(jù)總線、標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ玫膫鬏敻袷揭约案鞣N數(shù)據(jù)傳輸率。
任何人如果想應(yīng)對(duì)這種不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜性，必須對(duì)所有這些不同電平的接口信號(hào)進(jìn)行分析。這些分析工作通常需要一個(gè)由多種儀器的組成測(cè)試系統(tǒng)，且各個(gè)儀器的操作也是各不相同：模擬波形采用示波器進(jìn)行分析，數(shù)字信號(hào)需要使用邏輯分析儀，而傳輸協(xié)議則借助協(xié)議分析儀進(jìn)行分析。
在過(guò)去，示波器主要用于觀察隨著時(shí)間而變化的電壓信號(hào)�，F(xiàn)在，它已經(jīng)發(fā)展成一種通用的測(cè)試儀器。最新示波器可配置為混合信號(hào)示波器，除了模擬通道之外，還提供有數(shù)字通道，可以分析數(shù)字狀態(tài)和協(xié)議細(xì)節(jié)。其結(jié)果是，僅需一臺(tái)儀器、一個(gè)用戶接口，就可以完成電路中不同信號(hào)分析工作。因此，混合信號(hào)示波器對(duì)于硬件開發(fā)期間的信號(hào)完整性分析非常有價(jià)值，且對(duì)軟件開發(fā)期間的信號(hào)信息內(nèi)容分析的作用也越來(lái)越大。
本文主要介紹混合信號(hào)示波器的功能，并以帶有可集成式R&S RTO-B1混合信號(hào)選件的羅德與施瓦茨RTO系列示波器為示例，描述如何使用這些功能。
2 混合信號(hào)示波器的功能
(1)兩階段式工作原理：采集階段和分析階段
數(shù)字式示波器的工作過(guò)程可以分解為兩個(gè)連續(xù)的階段，即采集階段及其后續(xù)分析階段。在采集階段期間，采樣的測(cè)試信號(hào)保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。采集階段的特性主要由采樣頻率、采集深度和觸發(fā)類型來(lái)體現(xiàn)。
在分析階段對(duì)已經(jīng)采集的波形進(jìn)行分析并輸出至用戶接口，例如輸出至儀器上的顯示屏或者以文件形式輸出。數(shù)字式示波器的數(shù)據(jù)分析功能包含縮放、測(cè)量、光標(biāo)、數(shù)學(xué)運(yùn)算和搜索功能。
無(wú)論模擬通道，還是數(shù)字通道，混合信號(hào)示波器均使用兩階段式工作原理，除了可以繼續(xù)被用作傳統(tǒng)的示波器，還集成數(shù)字通道。通道數(shù)量眾多，以及由此而帶來(lái)眾多的設(shè)置選項(xiàng)，使得簡(jiǎn)潔、清晰的用戶接口顯得更加重要。
R&S RTO設(shè)計(jì)有精簡(jiǎn)的菜單結(jié)構(gòu)和信號(hào)流圖，帶有混合信號(hào)選件，使用極為簡(jiǎn)單、直觀。操作菜單采用透明設(shè)計(jì)，測(cè)試窗口始終可見(見圖1)。因此，可以即時(shí)觀察到任何設(shè)置更改對(duì)波形可能帶來(lái)影響和變化。波形可以按組顯示在屏幕上獨(dú)立的窗口內(nèi)，以提高清晰度。
圖1 R&S RTO示波器
(2)時(shí)間同步
對(duì)模擬通道和數(shù)字通道的采集是在同一臺(tái)儀器上同時(shí)進(jìn)行的，因此模擬波形、數(shù)字信號(hào)和協(xié)議信息具有時(shí)間相關(guān)性，可在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析。
為了同步地采集信號(hào)，必須對(duì)模擬通道和數(shù)字通道之間的延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。配備了混合信號(hào)選件，RTO會(huì)在儀器內(nèi)部的數(shù)字通道探頭盒和模擬通道探頭連接器之間完成這種延時(shí)補(bǔ)償。模擬探頭和數(shù)字探頭線之間的延時(shí)相對(duì)較小，如果這點(diǎn)時(shí)域?qū)τ脩魷y(cè)量影響不大，就無(wú)需再進(jìn)行其它任何設(shè)置。
(3)時(shí)間分辨率和采集周期
模擬和數(shù)字通道均優(yōu)先采用高時(shí)間分辨率，原因在于，數(shù)字信號(hào)中的事件均采用高時(shí)間精度進(jìn)行分析，即使極窄的毛刺也能可靠地檢測(cè)。當(dāng)將數(shù)字通道用作觸發(fā)源，也可以高精度地確定觸發(fā)時(shí)間，保證屏幕上觀測(cè)到的波形抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)最小化。
R&S RTO-B1混合信號(hào)選件可以為16個(gè)數(shù)字通道提供高達(dá)5Gsample/s的采樣頻率；與此相比，模擬通道的采樣頻率則為10Gsample/s由此，數(shù)字通道的時(shí)間分辨率可達(dá)200ps。同時(shí)，在其整個(gè)200Msample的采集深度上都可以獲得如此高的分辨率，這在這一級(jí)別的示波器中是惟一的。即使觸發(fā)事件很久之后才出現(xiàn)的事件，也可采用極高的時(shí)間精度進(jìn)行顯示�；旌闲盘�(hào)選件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立于主機(jī)。因此，200Msampl的采集深度不會(huì)受到當(dāng)前正在使用的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量的影響。
如果模擬通道的時(shí)間分辨率大于數(shù)字通道(如采樣率達(dá)到10Gsample/s時(shí)或插值期間)，則使用采樣與保持插值，將數(shù)字通道調(diào)整至模擬通道的采樣率。因此，可以實(shí)現(xiàn)模擬波形和數(shù)字信號(hào)的聯(lián)合分析。
單數(shù)字通道最大采集深度200Msample，適于大多數(shù)應(yīng)用中從串行總線采集較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列。例如，比特率400Mbit/s采樣頻率5Gsample/s，可以實(shí)現(xiàn)16Mbit的采集深度。
該存儲(chǔ)深度即可用于采集較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列，也可用于采集大量的連續(xù)波形。
(4)觸發(fā)條件
數(shù)字通道通常采用單幅度門限的觸發(fā)采集工作方式(如邏輯轉(zhuǎn)換門限)。R&S RTO-B1混合信號(hào)選件包含的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、延時(shí)觸發(fā)、碼型觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、建立保持時(shí)間觸發(fā)和帶觸發(fā)延時(shí)的串列觸發(fā)，可以設(shè)定時(shí)間延時(shí)、事件延時(shí)或是隨機(jī)時(shí)間延時(shí)。觸發(fā)源可以為獨(dú)立的數(shù)字通道、總線信號(hào)，也可以為采用邏輯運(yùn)算符(如AND，OR或XOR)對(duì)全部數(shù)字通道進(jìn)行邏輯組合。所有可以被用戶用作觸發(fā)源的信號(hào)，尤其是邏輯組合數(shù)字通道，都可以在觀測(cè)分析階段進(jìn)行分析。
(5)高測(cè)量速度
數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，所面臨的最大挑戰(zhàn)就是縮短“盲區(qū)時(shí)間”。該時(shí)間段不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因而有可能漏檢需要關(guān)注的偶發(fā)事件。如何才能縮短盲區(qū)時(shí)間，以更快地檢測(cè)到偶發(fā)事件？
盲區(qū)時(shí)間的縮短可通過(guò)分析階段的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。R&S RTO系列示波器含有一個(gè)專用集成電路芯片(ASIC)，該芯片可以同時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析工作。借助該功能，示波器工作速度可高達(dá)每秒100萬(wàn)個(gè)可視波形。
借助混合信號(hào)選件，RTO也可以以極高的性能集成數(shù)字通道。在包含采集和觸發(fā)、顯示、光標(biāo)和測(cè)量等功能的整個(gè)過(guò)程中，全程信號(hào)處理均由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件完成。全部16個(gè)數(shù)字通道可以并行地完成分析功能。分析速度高達(dá)20萬(wàn)個(gè)可視波形/s。其速度最大值與正被分析的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量無(wú)關(guān)。
(6)基于信號(hào)的顯示模式
顯示內(nèi)容每30ms刷新一次，以與人眼的視覺相一致。因此，在相鄰的兩次屏幕刷新期間，R&S RTO系列示波器會(huì)完成來(lái)自模擬通道的波形的硬疊加功能(以RTO 100萬(wàn)個(gè)波形/s為例，每次刷新顯示的是3.3萬(wàn)個(gè)左右波形的疊加結(jié)果)，從而可以將全部波形顯示在屏幕上。對(duì)于數(shù)字通道，該混合信號(hào)選件也采用了這種顯示技術(shù)。
兩次屏幕刷新期間，所采集的全部二進(jìn)制信號(hào)均采取了疊加處理。采集速度為20萬(wàn)個(gè)波形/s時(shí)，屏幕上可以同時(shí)顯示所采集的全部6000左右個(gè)波形(見圖2)。因此，用戶可以對(duì)對(duì)于整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的二進(jìn)制信號(hào)狀態(tài)和邊沿轉(zhuǎn)換頻率有足夠信息的總體認(rèn)識(shí)。此后，用戶可以采用搜索功能，從存儲(chǔ)器中讀出各個(gè)波形，并進(jìn)行更加精確的分析。
圖2 以20萬(wàn)波形/s的采集速度觀測(cè)數(shù)字和模擬波形
對(duì)于總線信號(hào)，由于它們包含了多個(gè)組合型二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，因此未進(jìn)行疊加處理。為了更直觀的分析總線信號(hào)，用戶可將顯示格式調(diào)整為總線格式，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘型數(shù)據(jù)總線與非時(shí)鐘數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了區(qū)分處理(見圖3)。對(duì)于非時(shí)鐘型數(shù)據(jù)總線，需要確定每個(gè)采樣周期的邏輯狀態(tài)。對(duì)于時(shí)鐘型數(shù)據(jù)總線，僅需要確定有效時(shí)鐘沿的邏輯狀態(tài)。顯示功能支持總線格式、表格式，也可以二進(jìn)制、十六進(jìn)制、十進(jìn)制和分?jǐn)?shù)等格式顯示模擬波形。
圖3 將并行總線信號(hào)顯示為模擬波形
(7)信號(hào)分析
示波器能提供的分析功能的數(shù)量和能力是其能否高效的分析波形關(guān)鍵因素。尤其需要指出的是，RTO示波器能實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度和時(shí)間的自動(dòng)測(cè)量，包括相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析功能、數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和光標(biāo)功能等。對(duì)于數(shù)字通道，僅使用時(shí)間測(cè)量功能和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析功能。數(shù)學(xué)運(yùn)算功能則簡(jiǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的邏輯運(yùn)算功能。
RTO混合信號(hào)選件擁有豐富的時(shí)間測(cè)量功能及統(tǒng)計(jì)分析功能供用戶選用。而且全部16個(gè)數(shù)字通道的任意邏輯組合可以作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行輸出顯示，也可以用作測(cè)量功能的源信號(hào)。光標(biāo)功能可以支持二進(jìn)制信號(hào)、總線信號(hào)以及邏輯組合型數(shù)字信號(hào)(見圖4)。
圖4 數(shù)字通道的測(cè)量和光標(biāo)功能
3 市場(chǎng)前景
混合信號(hào)示波器擴(kuò)展了示波器的基本功能，包含了邏輯分析儀和協(xié)議分析儀功能。其測(cè)試設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、擁有優(yōu)異的操作一致性，可以在同一臺(tái)儀器上實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀察模擬波形、數(shù)字波形和協(xié)議信息，給用戶帶來(lái)了極大的便利。據(jù)此，用戶可以更快地集中于實(shí)際的電路分析工作。采用混合信號(hào)示波器，硬件開發(fā)員可以分析信號(hào)的完整性，軟件開發(fā)員則可以分析信號(hào)的承載的信息內(nèi)容。
此外，混合信號(hào)示波器也可以輕松適應(yīng)將來(lái)模擬和數(shù)字電路與日俱增的復(fù)雜性。其數(shù)字通道的帶寬將會(huì)越來(lái)越大，可以分析具備更高數(shù)據(jù)傳輸率的接口；邏輯分析儀和協(xié)議分析儀的功能會(huì)得到提高；測(cè)試功能與分析選件數(shù)量也會(huì)不斷增加。然而，無(wú)論增強(qiáng)了哪些功能，首先要確保依然會(huì)是操作簡(jiǎn)便性和直觀性。
4 新型混合信號(hào)選件簡(jiǎn)介
除了R&S RTO系列示波器主機(jī)所提供的模擬通道之外，可以通過(guò)配備或是后升級(jí)的方式增加混合信號(hào)選件B1，以提供16個(gè)數(shù)字通道。這些數(shù)字通道支持5Gsample/s的采樣率(時(shí)間分辨率為200ps)。采樣率為5Gsample/s時(shí)，存儲(chǔ)深度為200Msample，其它情況下，其存儲(chǔ)深度為每個(gè)數(shù)字通道100Msample。當(dāng)信號(hào)電壓大于500mV時(shí)，最高輸入頻率為400MHz。正常工作時(shí)，在模擬和數(shù)字通道上最多可以每秒采集20萬(wàn)個(gè)可視波形。16個(gè)數(shù)字通道由兩個(gè)數(shù)字探頭組成，每個(gè)探頭各帶有8個(gè)數(shù)字通道。探頭的輸入阻抗測(cè)量值為100k?║4pF。門限值可以在±8V的范圍內(nèi)設(shè)置，步長(zhǎng)25mV。并可以為觸發(fā)門限設(shè)置三個(gè)級(jí)別的遲滯電平范圍，以應(yīng)對(duì)信號(hào)中可能存在的不同程度的噪聲干擾。
