今天基于微控制器（MCU）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的嵌入式設(shè)計(jì)一般都會(huì)同時(shí)包含模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)成分。設(shè)計(jì)工程師以往使用示波器和邏輯分析儀來(lái)測(cè)試和調(diào)試這些混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。而現(xiàn)在，一類新型測(cè)量工具 ―混合信號(hào)示波器（MSO）― 能讓您更好地調(diào)試這些基于 MCU、FPGA 和 DSP 的設(shè)計(jì)。

那么什么是混合信號(hào)示波器，它有什么使用要求以及它如何幫助您進(jìn)行測(cè)試呢？

在談到混合信號(hào)示波器 MSO時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)必須要注意：通道數(shù)、帶寬和采樣率。想要有效監(jiān)測(cè)基于 MCU/FPGA/DSP 的典型設(shè)計(jì)中的各種模擬和數(shù)字 I/O 信號(hào)，滿足這些要求是關(guān)鍵所在。您還會(huì)了解到想要有效測(cè)試和調(diào)試嵌入式設(shè)計(jì)，應(yīng)在混合信號(hào)示波器 MSO 中關(guān)注的各種混合信號(hào)觸發(fā)類型。

什么是混合信號(hào)示波器(MSO）？

混合信號(hào)示波器 MSO 是一種混合式測(cè)試儀器，它將數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）的全部測(cè)量功能（包括自動(dòng)定標(biāo)、觸發(fā)釋抑、模擬和數(shù)字通道的無(wú)限余輝以及探頭/通道偏移校正）與邏輯分析儀的部分測(cè)量功能整合在一臺(tái)儀器中。使用 MSO，您將能夠在同一顯示屏幕上看到多個(gè)時(shí)間對(duì)齊的模擬和數(shù)字波形，如圖 1 中的各示波器所示。盡管 MSO 可能缺少很多先進(jìn)的數(shù)字測(cè)量功能以及完整邏輯分析儀所具有的眾多數(shù)字采集通道，但對(duì)于當(dāng)今的嵌入式設(shè)計(jì)調(diào)試應(yīng)用而言，MSO 的一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)示波器和邏輯分析儀所沒(méi)有的。

混合信號(hào)示波器 MSO 的主要優(yōu)點(diǎn)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(jì)和測(cè)試工程師往往不愿意使用邏輯分析儀 ― 即使是需要高效調(diào)試復(fù)雜設(shè)計(jì) ― 因?yàn)閷W(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)邏輯分析儀的使用方法要花費(fèi)大量時(shí)間。就算工程師熟悉了邏輯分析儀的使用方法，在進(jìn)行特定測(cè)量時(shí)的設(shè)置步驟也比設(shè)置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進(jìn)測(cè)量功能對(duì)于當(dāng)今許多基于 MCU、FPGA 和 DSP 的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)往往也過(guò)于復(fù)雜。

示波器是研發(fā)環(huán)境中最常用的測(cè)試儀器。所有嵌入式硬件設(shè)計(jì)師都應(yīng)基本了解如何使用示波器來(lái)測(cè)量混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)的信號(hào)質(zhì)量和計(jì)時(shí)特性。但要想監(jiān)測(cè)多個(gè)模擬和數(shù)字信號(hào)間的重要計(jì)時(shí)互動(dòng)，2 通道或 4 通道示波器測(cè)量一般是不夠用的。而這正是 MSO 的優(yōu)勢(shì)。

由于混合信號(hào)示波器 MSO提供“正好足夠”的邏輯分析儀測(cè)量能力，而操作復(fù)雜性沒(méi)有明顯增加，因此是在嵌入式設(shè)計(jì)中進(jìn)行調(diào)試的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式與 DSO 一樣。事實(shí)上，您可簡(jiǎn)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 8 位），而增加的邏輯/數(shù)字通道則提供低分辨率（1 位）測(cè)量。高度綜合的 MSO 混合信號(hào)測(cè)量解決方案相比于 DSO 使用更簡(jiǎn)單，波形更新速率更快，其操作方式更像是示波器而不像邏輯分析儀。

波形更新速率是所有示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。速度慢和反應(yīng)遲鈍都會(huì)影響示波器的正常使用，無(wú)論是 DSO 還是 MSO 都不例外。因此當(dāng)示波器廠商把邏輯采集通道加入 DSO 構(gòu)成 MSO 時(shí)，絕不能犧牲波形更新速率。否則，傳統(tǒng)示波器的使用方式將會(huì)受到影響?；旌闲盘?hào)測(cè)量解決方案如果采用雙機(jī)配置，或者采用 USB 之類的外部通信總線來(lái)連接邏輯接口，就有可能反應(yīng)遲鈍和難以使用。而 MSO 采用高度整合的硬件體系結(jié)構(gòu)，不僅響應(yīng)更加敏捷，用起來(lái)也容易得多。

如欲詳細(xì)了解波形更新速率的重要性，請(qǐng)下載是德科技應(yīng)用指南《示波器波形更新速率決定捕獲偶發(fā)事件的概率》（在本文結(jié)尾處列出）。

在購(gòu)買混合信號(hào)示波器 MSO 之前的評(píng)估過(guò)程中，您首先要對(duì)各廠家的印刷手冊(cè)和在線文獻(xiàn)（技術(shù)資料）中描述的工作特性和測(cè)量性能做個(gè)比較。這對(duì)于評(píng)測(cè)儀器的適用性和響應(yīng)能力具有一定的參考價(jià)值；但唯一真正有效的方法還是要親自上手，進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。

典型的混合信號(hào)示波器 MSO測(cè)量應(yīng)用和要求的性能

雖然混合信號(hào)示波器 MSO 非常適合用于捕獲混合信號(hào)器件（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC）上的模擬和數(shù)字信號(hào)，但它們的測(cè)量應(yīng)用還包括驗(yàn)證和調(diào)試基于 MCU/FPGA/DSP 且包含嵌入式地址和數(shù)據(jù)總線的混合信號(hào)設(shè)計(jì)。圖 2 是具有微控制器內(nèi)核的典型混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 2. 基于混合信號(hào)示波器 MSO的典型嵌入式設(shè)計(jì)

盡管人們一般將微控制器和 DSP 視為簡(jiǎn)單的數(shù)字控制和處理器件，但當(dāng)今絕大多數(shù) MCU、 FPGA 和 DSP 實(shí)際上是包含了嵌入式模擬電路的混合信號(hào)器件。因此，需要監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證系統(tǒng)中的模擬 I/O、數(shù)字并行 I/O 端口，以及 I2C 和 SPI 等數(shù)字串行通信總線上的信號(hào)。

注意，圖 2 中的結(jié)構(gòu)圖沒(méi)有給出任何地址或數(shù)據(jù)總線信號(hào)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù) MCU 和 DSP 的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)還包括嵌入式存儲(chǔ)器（RAM 和 ROM）。

由于現(xiàn)在的混合信號(hào)示波器 MSO一般有 16 個(gè)數(shù)字采集通道，因此一些工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為 MSO 只能用于 8 位處理應(yīng)用（8 位數(shù)據(jù) ＋ 8 位地址 = 16 位）。但 MSO 主要用于監(jiān)測(cè)模擬和數(shù)字 I/O，即通常能在基于 MCU 和 DSP 的設(shè)計(jì)中得到的所有信號(hào)。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 中的處理位數(shù)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)樗鼈兺ǔ](méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系。要監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證基于 8 位、16 位甚至是 32 位 MCU/DSP 的設(shè)計(jì)，16 個(gè)數(shù)字采集通道及 2 到 4 個(gè)模擬采集和觸發(fā)通道一般是富富有余的。

不過(guò)監(jiān)測(cè)基于外部總線的設(shè)計(jì)（例如采用 32 位微處理器的計(jì)算機(jī)）中的并行地址和數(shù)據(jù)線并非混合信號(hào)示波器 MSO的主要測(cè)量應(yīng)用。

如果您需要捕獲多個(gè)地址和數(shù)據(jù)總線的信號(hào)，以驗(yàn)證基于外部總線的系統(tǒng)中的計(jì)時(shí)和原碼流，那么具有狀態(tài)分析和反匯編能力的邏輯分析儀可能是更好的測(cè)量工具。但假若您還需要同時(shí)在時(shí)間上關(guān)聯(lián)模擬信號(hào)和/或數(shù)字信號(hào)的模擬特征，那么多家廠商的雙機(jī)解決方案（示波器＋邏輯分析儀）就要把示波器波形導(dǎo)入到具有時(shí)間相關(guān)顯示屏幕的邏輯分析儀中。但是在您采用這種更高性能的雙機(jī)測(cè)試解決方案時(shí)，也不得不接受邏輯分析儀更為復(fù)雜的操作方式，包括緩慢或單次的波形更新速率。

但即使是在配有外部存儲(chǔ)器件的 32 位系統(tǒng)中，具有 16 個(gè)邏輯時(shí)間通道和 2 到 4 個(gè)模擬通道的混合信號(hào)示波器 MSO對(duì)于測(cè)量關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)通常也足夠用了。圖 3 是使用 MSO 驗(yàn)證 32 位系統(tǒng)（IBM PowerPC 405GP）中的高速存儲(chǔ)器件（SDRAM）建立時(shí)間的例子。使用 MSO 的碼型觸發(fā)功能，只需 4 個(gè) MSO 數(shù)字通道就能完成對(duì)特定讀寫(xiě)指令（CS、RAS、CAS、WE）的測(cè)量。再用示波器的模擬通道進(jìn)一步限定在高速時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)邊沿上觸發(fā)，并在特定數(shù)據(jù)信號(hào) （中間的綠色跡線）相關(guān)的 100 MHz 時(shí)鐘信號(hào)（上面的黃色跡線）上進(jìn)行關(guān)鍵的計(jì)時(shí)測(cè)量，得到該外部存儲(chǔ)器件的建立時(shí)間為 8 ns。使用常規(guī)的 2 通道或 4 通道 DSO 無(wú)法進(jìn)行這樣的測(cè)量，而使用與高速示波器相連的邏輯分析儀進(jìn)行這種測(cè)量則極為費(fèi)時(shí)。

ΔX = 8.00 ns
1/ΔX = 125.00 MHZ
DY(1) = 0.0 V
圖 3. 在 32 位系統(tǒng)中使用混合信號(hào)示波器 MSO進(jìn)行關(guān)鍵的建立時(shí)間測(cè)量

對(duì)于混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)中的這類信號(hào)完整性測(cè)量來(lái)說(shuō)，MSO 的模擬和數(shù)字采集性能通常要遠(yuǎn)比通道數(shù)更重要。示波器模擬采集性能的最基本技術(shù)指標(biāo)是帶寬和采樣率。為進(jìn)行較為精確的模擬測(cè)量，示波器帶寬至少應(yīng)該是系統(tǒng)最高時(shí)鐘速率的五倍。例如，如果需要用示波器的模擬通道監(jiān)測(cè)最大觸發(fā)/時(shí)鐘頻率為 200 MHz 的數(shù)字信號(hào)，那么為了能以適合的精度捕獲到 5 次諧波，示波器的模擬帶寬應(yīng)達(dá)到 1 GHz。對(duì)于實(shí)時(shí)/單次測(cè)量，示波器的采樣率應(yīng)是示波器帶寬的 4 倍或更快。如欲詳細(xì)了解帶寬與采樣率之間的關(guān)系，請(qǐng)下載是德科技應(yīng)用指南《采樣率須知大全》和應(yīng)用指南《評(píng)測(cè)您的應(yīng)用所需的示波器帶寬》。

可惜有些示波器和邏輯分析儀的用戶并未充分認(rèn)識(shí)到混合信號(hào)示波器 MSO和邏輯分析儀需要具備怎樣的數(shù) 字采集性能。MSO 的數(shù)字采集性能與示波器的模擬采集性能應(yīng)當(dāng)相稱，這一點(diǎn)非常重要。 但這并不意味著它就是高性能示波器和低性能邏輯計(jì)時(shí)分析儀的簡(jiǎn)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(dá)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 示波器捕獲觸發(fā)/時(shí)鐘速率為 200 MHz 的數(shù)字信號(hào)的模擬特征，而要以適合的計(jì)時(shí)精度在 MSO 的數(shù)字/邏輯通道上捕獲同一個(gè)信號(hào)，數(shù)字/邏輯通道必須達(dá)到 2 GSa/s 的采樣率。

當(dāng)您使用邏輯/數(shù)字采集通道時(shí)，測(cè)量分辨率被限制在 ±1 個(gè)采樣周期。例如，如果您打算捕獲 200 MHz（周期 = 5 ns）最大觸發(fā)/時(shí)鐘速率的數(shù)字信號(hào)，每個(gè)高或低脈沖最窄可能為 2.5 ns （假定 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計(jì)時(shí)測(cè)量誤差可能會(huì)達(dá)到 ±500 ps，這對(duì)于時(shí)間差測(cè)量來(lái)說(shuō)就是在最壞條件下達(dá)到 1 ns 峰峰值誤差，即在 2.5 ns 脈沖上誤差為 40%。我們相信無(wú)論是對(duì)于 MSO 還是邏輯分析儀，超過(guò) 40% 的計(jì)時(shí)誤差都是無(wú)法接受的，正因如此我們推薦數(shù)字采集通道的采樣率必須至少為示波器帶寬的兩倍。

除帶寬和采樣率外，要考慮的另一個(gè)重要因素是探頭帶寬；包括模擬和數(shù)字系統(tǒng)探測(cè)的帶寬。如果您要捕獲的模擬或數(shù)字信號(hào)含有超過(guò) 500 MHz 的重要頻率內(nèi)容，那么需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?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的采樣電路提供更高頻率的信號(hào)，從而可靠地捕獲到更高頻率脈沖序列中的每一個(gè)脈沖。

混合信號(hào)觸發(fā)

混合信號(hào)示波器 MSO的采集通道數(shù)量越多（與 DSO 相比），就意味著您現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)更多種觸發(fā)方式來(lái)專門(mén)采集模擬與數(shù)字 I/O 信號(hào)的特定交互。雖然 MSO 的觸發(fā)功能不像高性能邏輯分析儀那么復(fù)雜，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn) 2 通道或 4 通道示波器的有限觸發(fā)功能。

當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)混合信號(hào)示波器 MSO和混合信號(hào)測(cè)量解決方案至少能夠在單電平并行碼型觸發(fā)條件下觸發(fā)，有些 MSO 甚至能提供包括復(fù)位條件的雙電平碼型序列觸發(fā)。不過(guò)，即使您使用相對(duì)簡(jiǎn)單的單電平碼型觸發(fā)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種 MSO/混合信號(hào)測(cè)量解決方案在觸發(fā)功能上存有巨大差異。首先非常重要的一點(diǎn)是，MSO 能在模擬和數(shù)字輸入的組合條件下觸發(fā)。對(duì) 于有些松散的混合信號(hào)測(cè)量解決方案，由于其模擬通道和邏輯通道間的信號(hào)偏移極大，所以只能在采集系統(tǒng)的一側(cè)或另一側(cè)實(shí)施可靠的觸發(fā)。也就是說(shuō)，您只能在傳統(tǒng)的模擬觸發(fā)條件下，或僅在一種并行數(shù)字條件下觸發(fā)示波器 ― 而不能同時(shí)在兩個(gè)條件下進(jìn)行觸發(fā)。MSO 應(yīng)能提供混合信號(hào)觸發(fā)功能，并且在觸發(fā)的模擬通道和數(shù)字通道之間確保精確的時(shí)間對(duì)齊。我們?cè)诒疚暮竺孢€將舉例說(shuō)明之所以需要在混合信號(hào)條件下進(jìn)行觸發(fā)，是因?yàn)檫@樣可以使示波器在 MCU 控制的 DAC 特定輸出相位上進(jìn)行同步采集。

混合信號(hào)示波器 MSO的另一個(gè)重要考慮因素是它的碼型觸發(fā)是否包括任何類型的時(shí)間限定。除進(jìn)入和/或退出觸發(fā)限定外，碼型觸發(fā)條件還應(yīng)包括最小時(shí)間限制條件。為說(shuō)明這一點(diǎn)，一種簡(jiǎn)單的方法就是先在不穩(wěn)定的跳變狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā)；然后再來(lái)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)的示例。從顯示屏的上半部分（更好地顯示出信號(hào)整體圖像），我們可以看到該狀態(tài)。

CE 和 EE 是總線上 DE 和 E4 之間的不穩(wěn)定跳變狀態(tài)。它很可能不是用戶想要的觸發(fā)條件。此時(shí)，用戶可以使用示波器的時(shí)間限定菜單（Qualifier）為觸發(fā)設(shè)定時(shí)間閾值，即讓觸發(fā)狀態(tài)必須保持比規(guī)定時(shí)間更長(zhǎng)或更短；或者保持在規(guī)定的時(shí)間范圍之內(nèi)或之外。

為避免在跳變/不穩(wěn)定的條件下觸發(fā)，最短時(shí)間限定是很重要的。當(dāng)并行數(shù)字信號(hào)改變狀態(tài)時(shí)，切換過(guò)程可能近乎同時(shí) ― 但并非嚴(yán)格的同時(shí)。除了信號(hào)在非高非低時(shí)的有限上升沿和下降沿速度外，即使是在最佳設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，信號(hào)間也會(huì)有微小的時(shí)延。這意味著您的 系統(tǒng)在信號(hào)切換時(shí)，始終存在跳變的/不穩(wěn)定的信號(hào)條件。如有可能，您當(dāng)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)。

示波器（包括混合信號(hào)示波器 MSO）能夠精確地在模擬觸發(fā)電平/閾值跨越點(diǎn)觸發(fā)，而邏輯分析儀通常使用基于樣本的 觸發(fā)?；跇颖镜挠|發(fā)將產(chǎn)生 ± 1 個(gè)采樣周期的峰峰值觸發(fā)抖動(dòng)/不確定度（最壞條件下峰峰值不確定度 = 2 個(gè)采樣周期）。我們通過(guò)“基于樣本的觸發(fā)”首先讓儀器對(duì)輸入信號(hào)隨機(jī)采樣，然后根據(jù)采樣數(shù)據(jù)建立觸發(fā)參考點(diǎn)。這種類型的觸發(fā)會(huì)產(chǎn)生明顯的觸發(fā)抖動(dòng)，這對(duì)于某些典型邏輯分析儀可能是允許的，但對(duì)用于觀察重復(fù)信號(hào)的常規(guī)示波器或 MSO 測(cè)量則都是不可接受的。

圖 4. 在沒(méi)有最小時(shí)間限定的情況下，示波器在不穩(wěn)定的跳變狀態(tài)下觸發(fā)。

圖 5 是配有混合信號(hào)選件的示波器，它能根據(jù)采樣數(shù)據(jù)生成觸發(fā)事件。圖 6 顯示了一個(gè) Keysight混合信號(hào)示波器 MSO的例子，它利用模擬硬件比較器在所有模擬和數(shù)字輸入信號(hào)上進(jìn)行觸發(fā)。

圖 5. 基于樣本的碼型觸發(fā)產(chǎn)生了 4 ns 的觸發(fā)抖動(dòng)（使用配有混合信號(hào)示波器 MSO選件的 LeCroy WaveRunner）。

在這一混合信號(hào)測(cè)量實(shí)例中，各示波器都設(shè)置為在 MCU 數(shù)字輸出端口的特定 8 位碼型條件下進(jìn)行觸發(fā)。該條件與數(shù)字輸入通道 D4（A4）的上升沿同步 。為測(cè)量 D4（A4）信號(hào)的信號(hào)完整性，我們把示波器的一個(gè)模擬通道設(shè)置為對(duì)同一個(gè)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行“雙重探測(cè)”。 如您在圖 5 中所見(jiàn)，以采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字觸發(fā)的示波器產(chǎn)生了差不多 4 ns 的峰峰值觸發(fā)抖動(dòng)，這是因?yàn)樗淖畲髷?shù)字/邏輯通道采樣率只有 500 MSa/s（±1 個(gè)不確定度采樣周期）。注意：在使用示波器的無(wú)限余輝顯示模式時(shí)，重復(fù)模擬跡線（中間的綠色跡線）中有 4 ns 的峰峰值“拖影”。

圖 6 所示為使用 Keysight混合信號(hào)示波器 MSO執(zhí)行相同重復(fù)觸發(fā)測(cè)量的結(jié)果，它在實(shí)時(shí)模擬比較器硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上生成觸發(fā)事件，而不是基于樣本觸發(fā)。在把示波器設(shè)置為 5 ns/格時(shí)，我們就能用該示波器的無(wú)限余輝顯示模式觀察到非常穩(wěn)定的模擬跡線，即使觸發(fā)只是基于示波器的數(shù)字/邏輯通道輸入而實(shí)現(xiàn)。我們現(xiàn)在就能夠使用示波器的一個(gè)模擬輸入通道對(duì)重復(fù)輸入信號(hào)進(jìn)行更精確的信號(hào)完整性測(cè)量。

圖 6. Keysight MSO 中的實(shí)時(shí)比較器硬件碼型觸發(fā)產(chǎn)生了極低的觸發(fā)抖動(dòng)。

在為您的混合信號(hào)嵌入式應(yīng)用評(píng)測(cè)各種 MSO/混合信號(hào)測(cè)量解決方案時(shí)，最后要考慮的一件事情是示波器是否能在串行 I/O（例如 I2C 和 SPI）的特定地址和數(shù)據(jù)傳輸上觸發(fā)。串行 I/O 在如今的嵌入式設(shè)計(jì)中使用非常廣泛。在本文的下一節(jié)中，我們會(huì)展示一個(gè)例子，其中需要進(jìn)行串行觸發(fā)，以便使示波器根據(jù)混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)中的串行輸入命令，對(duì)特定模擬輸出“線性調(diào)頻”信號(hào)進(jìn)行同步采集。

激活和調(diào)試真正的混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)

讓我們現(xiàn)在來(lái)看看由美國(guó)加利福尼亞州奇哥市（Chico）Solutions Cubed 公司所設(shè)計(jì)的一種混合信號(hào)嵌入式產(chǎn)品的激活和調(diào)試過(guò)程。圖 7 是該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖。

這個(gè)混合信號(hào)嵌入式產(chǎn)品的核心是 Microchip PIC18F452/PT 微控制器，它使用內(nèi)部的 16 位指令集工作。由于這種特殊的 MCU 有內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)并包括一個(gè)嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）， 因此該混合信號(hào)器件及相應(yīng)的外圍電路就成為使用混合信號(hào)示波器 MSO激活和調(diào)試嵌入式混合信號(hào)設(shè)計(jì)的極好例子。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是依據(jù)各種模擬、數(shù)字和串行 I/O 輸入條件，產(chǎn)生不同長(zhǎng)度、形狀和幅度的模擬“線性調(diào)頻”輸出信號(hào)。（“線性調(diào)頻”是包括特定周期數(shù)的射頻脈沖模擬輸出信號(hào)，在航天與國(guó)防和汽車應(yīng)用中經(jīng)常遇到）。

圖 7. 根據(jù)模擬、數(shù)字和串行 I/O 產(chǎn)生模擬“線性調(diào)頻”輸出的混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)

MCU 同時(shí)監(jiān)測(cè)如下三種輸入，以確定輸出線性調(diào)頻信號(hào)的特征：

1. 用 MCU 上的一個(gè)并行數(shù)字 I/O 端口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制面板的狀態(tài)，從而確定輸出所產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)的形狀（正弦波、三角波、方波）。
2. 通過(guò) MCU 上的一個(gè) ADC 輸入監(jiān)測(cè)加速度模擬輸入傳感器的輸出電平，從而確定輸出所產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)的幅度。
3. 使用 MCU 上的專用 I2C 串行 I/O 端口監(jiān)測(cè)串行 I2C 通信鏈路的狀態(tài)，從而確定輸出線性調(diào)頻中產(chǎn)生的脈沖數(shù)。這一 I2C 通信輸入信號(hào)由該嵌入式設(shè)計(jì)中的另一個(gè)智能子系統(tǒng)部件產(chǎn)生。

根據(jù)模擬、數(shù)字和串行輸入這三個(gè)狀態(tài)，MCU 經(jīng)過(guò)編程后向外部 8 位 DAC 連續(xù)輸出一串并行信號(hào)，以生成各種幅度、形狀和長(zhǎng)度的模擬線性調(diào)頻信號(hào)。DAC 的未濾波階梯波形輸出饋送至模擬低通濾波器，以平滑信號(hào)和降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號(hào)引入了預(yù)先確定大小的相移。最后，MCU 通過(guò)另一個(gè)可用的數(shù)字 I/O 端口產(chǎn)生并行數(shù)字輸出，以驅(qū)動(dòng) LCD 顯示屏為用戶提供系統(tǒng)狀態(tài)信息。

在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)/編程 MCU 的第一步是為 MCU 的 I/O 配置適當(dāng)數(shù)量的模擬和數(shù)字 I/O 端口。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要通盤(pán)考慮 MicroChip 這種特殊微控制器中模擬 I/O 數(shù)與數(shù)字 I/O 端口的權(quán)衡。

在嘗試對(duì) MCU 編程以監(jiān)測(cè)各種輸入和產(chǎn)生規(guī)定的最終輸出信號(hào)之前，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定最好先開(kāi)發(fā)激活該嵌入式設(shè)計(jì)某一部分/某項(xiàng)功能的測(cè)試代碼，在增加交互式的復(fù)雜性之前先驗(yàn)證它工作正確性和信號(hào)完整性。激活和調(diào)試的第一部分電路/第一項(xiàng)功能是外部 DAC 輸出和輸入以及模擬濾波器。為驗(yàn)證該電路和內(nèi)部固化軟件在正確工作，我們最初把 MCU 編碼為產(chǎn)生固定幅度的連續(xù)/重復(fù)正弦波，而不考慮輸入信號(hào)條件。

圖 8 為 Keysight InfiniiVision 系列混合信號(hào)示波器 MSO的屏幕快照，該 MSO 同時(shí)捕獲外部 DAC（MCU 數(shù)字 I/O 端口的輸出）的連續(xù)數(shù)字輸入，以及 DAC 的階梯輸出以及經(jīng)模擬濾波的輸出。由于這個(gè)特殊信號(hào)是電平相對(duì)低的輸出信號(hào)，僅使用 8 位 DAC（最多 256 個(gè)電平）的 16 個(gè)電平，我們可以很方便地在示波器顯示屏幕上觀察該轉(zhuǎn)換器的階梯波形輸出特征（綠色跡線）。

把這一特定采集設(shè)置為當(dāng) DAC 輸出到達(dá)其最高輸出電平（屏幕中央）時(shí)觸發(fā)。使用常規(guī)的示波器無(wú)法在這一特定點(diǎn)觸發(fā)，因?yàn)槭静ㄆ饔|發(fā)需要邊沿跳變。為了在輸出信號(hào)的這一點(diǎn)/相位處觸發(fā)，我們首先依據(jù)與外部 DAC 最高輸出模擬電平相一致的數(shù)字輸入信號(hào)，建立簡(jiǎn)單的單電平碼型觸發(fā)條件。為恰好在波形的這一點(diǎn)上觸發(fā)，設(shè)計(jì)師輸入了并行二進(jìn)制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時(shí)間限定”碼型觸發(fā)，示波器始終在規(guī)定碼型的開(kāi)始處觸發(fā)，而絕不會(huì)在不穩(wěn)定/跳變條件處觸發(fā)。

圖 8. Keysight InfiniiVision 系列 MSO 捕獲由 MCU 控制的 DAC 的并行數(shù)字輸入和模擬輸出。

圖 9. Keysight MSO 使用模擬和數(shù)字碼型觸發(fā)組合，在 50% 交叉點(diǎn)處觸發(fā)

圖 9 顯示了除了模擬觸發(fā)條件之外，MSO 的另一個(gè)觸發(fā)條件。在對(duì)并行數(shù)字輸入信號(hào)使用碼型觸發(fā)時(shí)，它可設(shè)置 MSO 在 DAC 的 50% 輸出電平點(diǎn)精確觸發(fā)。如前所述，并非所有 MSO/混合信號(hào)測(cè)量解決方案都允許在模擬和數(shù)字條件組合下進(jìn)行混合信號(hào)觸發(fā)。但由于在相同電平（50% 上升電平和 50% 下降電平）上存在兩個(gè)模擬輸出條件，要與上升或下降點(diǎn)的觸發(fā)保持一致性，所需要的不僅僅是在 8 位輸入碼型上的碼型觸發(fā)。通過(guò)另外限定在模擬通道 1 的“0”電平（頂部黃色跡線）上觸發(fā)，示波器就能使用模擬和數(shù)字碼型觸發(fā)的組合，在所需要的相位處觸發(fā)。注意，模擬信號(hào)在高于模擬觸發(fā)電平時(shí)被看作“1”，在低于觸發(fā)電平時(shí)被看作“0”。

圖 9 還顯示了對(duì)濾波輸出信號(hào)的自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，包括相對(duì)于未濾波 DAC 輸出的幅度、 頻率和相移。

在激活和驗(yàn)證了外部 DAC 和模擬濾波電路工作正常后，該設(shè)計(jì)/激活過(guò)程的下一步是進(jìn)行編程，根據(jù)串行 I2C 輸入產(chǎn)生特定數(shù)量的非重復(fù)正弦波脈沖（線性調(diào)頻）。圖 10 顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)的示波器邊沿觸發(fā)所得到的不同長(zhǎng)度線性調(diào)頻的重疊（無(wú)限余輝）。相比之下，傳統(tǒng)示波器的邊沿觸發(fā)無(wú)法限定在規(guī)定長(zhǎng)度的線性調(diào)頻上進(jìn)行觸發(fā)。

圖 10. 常規(guī)示波器的邊沿觸發(fā)不能同步在特定長(zhǎng)度的 線性調(diào)頻上進(jìn)行觸發(fā)。

使用 I2C 觸發(fā)功能，Keysight MSO 示波器就能實(shí)現(xiàn)在特定串行輸入條件下同步開(kāi)始采集。這些條件指示 MCU 產(chǎn)生規(guī)定長(zhǎng)度（脈沖數(shù)）的輸出線性調(diào)頻。

圖 11 描述了示波器在 3 周期線性調(diào)頻上進(jìn)行觸發(fā)以及在串行地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容上進(jìn)行 I2C 觸發(fā)的功能。數(shù)據(jù)通道 D14 和 D15 分別定義為 I2C 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際上我們可以將 16 個(gè)數(shù)字通道或 2 到 4 個(gè)模擬示波器通道中的任意通道定義為在這兩個(gè)輸入信號(hào)上進(jìn)行串行觸發(fā)。在監(jiān)測(cè)串行輸入和模擬輸出信號(hào)的同時(shí)，D0-D7 設(shè)置為在“總線” 疊加顯示中監(jiān)測(cè)外部 DAC 輸入（MCU 輸出）信號(hào)。

圖 11. 使用 Keysight MSO 中的 I2C 觸發(fā)和解碼功能在 3 周期線性調(diào)頻上進(jìn)行觸發(fā)。

圖 12 的底部顯示了時(shí)間關(guān)聯(lián)的 I2C 串行解碼跡線。您還能以更熟悉的表格形式（如顯示屏上半部分所示）來(lái)查看串行解碼。

圖 12. I2C 信號(hào)能以時(shí)間關(guān)聯(lián)形式或是表格解碼形式顯示（見(jiàn)本屏幕上半部分）。

雖然圖中沒(méi)有顯示出來(lái)，但示波器的另一個(gè)模擬通道可以被設(shè)置為同時(shí)探測(cè)和采集來(lái)自加速度傳感器的模擬輸入信號(hào)，以確定輸出信號(hào)的幅度。此外，您也可以使用空閑的 MSO 數(shù)字通道來(lái)監(jiān)測(cè)和/或進(jìn)一步限定在數(shù)字控制面板輸入和/或 LCD 輸出驅(qū)動(dòng)器信號(hào)上進(jìn)行觸發(fā)。

總結(jié)

混合信號(hào)示波器（ MSO）非常適合用于調(diào)試和驗(yàn)證當(dāng)今各種基于 MCU、FPGA 和 DSP 的混合信號(hào)設(shè)計(jì)是否正常工作。MSO 能夠在一臺(tái)綜合儀器上同時(shí)顯示時(shí)間關(guān)聯(lián)的模擬和數(shù)字波 形，并可在全部模擬和數(shù)字通道上實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)觸發(fā)，因此能讓設(shè)計(jì)人員使用他們熟悉的、類似示波器用戶界面和使用方式的工具更快地調(diào)試混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。

下載嵌入式軟件套件免費(fèi)試用版，體驗(yàn) MSO 觸發(fā)和解碼功能。
目前市場(chǎng)上混合信號(hào)示波器 MSO和綜合型混合信號(hào)測(cè)量工具層出不窮，在決定購(gòu)買之前，您一定要仔細(xì)評(píng)測(cè)這些儀器的測(cè)量功能和實(shí)用性。

您應(yīng)特別關(guān)注如下七項(xiàng)特性：

1.MSO的使用方式應(yīng)類似于您所熟悉的示波器 ― 而不是像邏輯分析儀。
2. MSO 應(yīng)當(dāng)具備示波器的全部測(cè)量功能，同時(shí)不會(huì)犧牲其他特性，例如自動(dòng)定標(biāo)、觸發(fā)釋抑、無(wú)限余輝（模擬和數(shù)字通道）以及探頭/通道偏移校正等。
3. MSO 要像示波器那樣提供快速的波形更新速率，而不能像邏輯分析儀那樣更新速率較慢。
4. MSO 的數(shù)字/邏輯通道采集系統(tǒng)性能（采樣率和探測(cè)帶寬）要與示波器的模擬采集系統(tǒng)性能相適配。
5. MSO 要能跨模擬和數(shù)字通道進(jìn)行觸發(fā)（混合信號(hào)觸發(fā)），并具有精確的時(shí)間對(duì)齊功能。
6. MSO 要能根據(jù)最小限定時(shí)間在碼型上觸發(fā)，避免在不穩(wěn)定/跳變的數(shù)字切換條件下觸發(fā)。
7. MSO 要能提供基于實(shí)時(shí)模擬比較器技術(shù)的模擬和數(shù)字觸發(fā) ― 而非基于樣本的觸發(fā)（后者會(huì)在重復(fù)模擬波形上產(chǎn)生顯著的觸發(fā)抖動(dòng)）。

審核編輯：湯梓紅