混合信號示波器快速、精確測試嵌入式系統設計

摘要：嵌入式設計在各種各樣的先進電子設備中發揮著不可或缺的作用，包括從移動電話和MP3播放器到醫療設備和工業控制系統。此外，處理器單元、各種模擬和數字功能塊也大量使用。當定時相關很關鍵時，在不同功能塊中同時進行信號分析，是開發和測試這類系統面臨的主要挑戰。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。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/263376.htm關鍵詞：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字邏輯狀態和協議信息的數字通道。在對新模塊進行初始化操作時，嵌入式設計開發人員需要執行一系列各類測量。除了串行和并行數據總線上的數字信號以外，還需要分析來自如A/D轉換器和電源這類組件的模擬信號。由于開發周期不斷縮短，盡快完成這類分析工作的壓力持續增加。這就是為什么能夠提供可靠測量結果的全面綜合測量工具對今天的開發人員至關重要的原因。

圖1顯示為包含A/D轉換器的模塊。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轉換器輸入信號質量。就其數字電路而言，A/D轉換器輸出必須正常工作，SPI控制指令必須正確解碼。當然，時鐘信號對A/D轉換器正常運行也起重要作用。最后，必須測試電源質量。

快速表征模擬信號

作為調試過程的第一步，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的結果。圖2顯示同時測量A/D轉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不在QuickMeas測量結果之列，則可以激活附加的自動測量功能，包括參數統計。高波形捕獲率和處理速度對統計分析來說至關重要，因此，即使是復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、如突發信號或間歇信號。為了實現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。并行數據總線分析

集成化邏輯分析使得示波器能顯示與模擬波形時間相關的數字信號。RS RTE混合信號選件將示波器轉換成具有16條數字通道且易于使用的MSO示波器。在本例中，A/D轉換器輸出有9路信號（對應8個數據位和時鐘信號）。針對時鐘信號的有效沿來確定總線的邏輯狀態。用戶根據實際總線拓撲結構配置并行總線、定義哪些數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表示。無論其他設置如何，該圖標顯示所有激活邏輯通道目前的狀態（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。當然，解碼的總線可以用總線數據格式顯示。如圖3所示，在分析A/D轉換器輸出時，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。輸出信號中出現的任何畸變將一目了然。

在模擬總線顯示中頻繁出現的尖峰（參閱圖3）清晰指出模塊設計存在問題。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點很長時間后出現的尖峰也可看到。合乎邏輯的假設是這樣的尖峰是由建立時間和保持時間違規的定時問題引起的。建立時間決定在下一個時鐘沿到來前數據信號必須存在多長時間，保持時間指出在時鐘沿生效后數據信號必須保持不變多長時間。為了測試我們的假設是否正確，我們所要做的就是在示波器中，相對數據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。基于這一認識.用戶可以審查設計，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轉換器輸出由SPI接口控制。這里，開發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系是否符合規范。

除了傳輸的用戶數據以外，串行總線信號還包括嵌入在幀內的控制和地址信息。因此，對包含串行數據總線的系統進行調試需要額外軟件支持。如果示波器能夠對串行協議內容進行觸發并顯示解碼消息，那么隔離特定協議事件將變得很容易。因此，示波器必須支持觸發和解碼廣泛使用的串行接口協議，如I²C、UART/RS-232、CANS和SPI。

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

當測試SPI通信時，用戶可以盡量減小A/D轉換器輸入信號和輸出并行數據總線的顯示，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）。

調試過程中另一個重要環節是確定SPI指令結束時刻和A/D轉換器輸出信號開始時刻之間的響應時間。光標功能可以輕松測量時間差。在RSRTE上，用戶只需拖住A/D轉換器輸出信號最小化圖標回到屏幕即可顯示。可以在同一窗口或分開在兩個窗口中顯示sPI序列和并行總線，如圖7所示。接著，應減小示波器的時基，直到可以執行有意義的測量。圖8顯示在能夠充分定位光標的窗口中的測量結果。

總結

混合信號示波器是開發和調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人員，還是對于分析信號內容的軟件開發人員，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：簡單的測試設置，直觀的用戶界面，以及模擬波形、數字信號和協議細節同步可視化。