混合信號示波器對嵌入式系統(tǒng)的快速分析
2012-02-14
本文主要由長沙艾克塞普儀器公司首席應用工程師Tony.Li介紹混合信號示波器的功能，并以帶有可集成式R&S RTO-B1混合信號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。
對于嵌入式系統(tǒng)而言，其承擔的任務(wù)越多，系統(tǒng)也就越復雜。與此同時，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。單獨一個設(shè)計就有可能采用單bit信號、時鐘型或非時鐘型并行數(shù)據(jù)總線和串行數(shù)據(jù)總線、標準或?qū)Ｓ玫膫鬏敻袷揭约案鞣N數(shù)據(jù)傳輸率。
模擬波形采用示波器進行分析，數(shù)字信號需要使用邏輯分析儀，而傳輸協(xié)議則借助協(xié)議分析儀進行分析。
在過去，示波器主要用于觀察隨著時間而變化的電壓信號?，F(xiàn)在，它已經(jīng)發(fā)展成一種通用的測試儀器。最新示波器可配置為混合信號示波器，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)議細節(jié)。其結(jié)果是，僅需一臺儀器、一個用戶接口，就可以完成電路中不同信號分析工作。因此，混合信號示波器對于硬件開發(fā)期間的信號完整性分析非常有價值，且對軟件開發(fā)期間的信號信息內(nèi)容分析的作用也越來越大。
2 混合信號示波器的功能
(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程可以分解為兩個連續(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，采樣的測試信號保存在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。采集階段的特性主要由采樣頻率、采集深度和觸發(fā)類型來體現(xiàn)。
在分析階段對已經(jīng)采集的波形進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、測量、光標、數(shù)學運算和搜索功能。
無論模擬通道，還是數(shù)字通道，混合信號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，以及由此而帶來眾多的設(shè)置選項，使得簡潔、清晰的用戶接口顯得更加重要。
R&S RTO設(shè)計有精簡的菜單結(jié)構(gòu)和信號流圖，帶有混合信號選件，使用極為簡單、直觀。操作菜單采用透明設(shè)計，測試窗口始終可見(見圖1)。因此，可以即時觀察到任何設(shè)置更改對波形可能帶來影響和變化。波形可以按組顯示在屏幕上獨立的窗口內(nèi)，以提高清晰度。
圖1 R&S RTO示波器
(2)時間同步
對模擬通道和數(shù)字通道的采集是在同一臺儀器上同時進行的，因此模擬波形、數(shù)字信號和協(xié)議信息具有時間相關(guān)性，可在同一個時間點進行分析。
為了同步地采集信號，必須對模擬通道和數(shù)字通道之間的延時進行補償。配備了混合信號選件，RTO會在儀器內(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補償。模擬探頭和數(shù)字探頭線之間的延時相對較小，如果這點時域?qū)τ脩魷y量影響不大，就無需再進行其它任何設(shè)置。
(3)時間分辨率和采集周期
模擬和數(shù)字通道均優(yōu)先采用高時間分辨率，原因在于，數(shù)字信號中的事件均采用高時間精度進行分析，即使極窄的毛刺也能可靠地檢測。當將數(shù)字通道用作觸發(fā)源，也可以高精度地確定觸發(fā)時間，保證屏幕上觀測到的波形抖動實現(xiàn)最小化。
R&S RTO-B1混合信號選件可以為16個數(shù)字通道提供高達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)字通道的時間分辨率可達200ps。同時，在其整個200Msample的采集深度上都可以獲得如此高的分辨率，這在這一級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，也可采用極高的時間精度進行顯示?；旌闲盘栠x件的數(shù)據(jù)存儲器獨立于主機。因此，200Msampl的采集深度不會受到當前正在使用的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量的影響。
如果模擬通道的時間分辨率大于數(shù)字通道(如采樣率達到10Gsample/s時或插值期間)，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，可以實現(xiàn)模擬波形和數(shù)字信號的聯(lián)合分析。
單數(shù)字通道最大采集深度200Msample，適于大多數(shù)應用中從串行總線采集較長的數(shù)據(jù)序列。例如，比特率400Mbit/s采樣頻率5Gsample/s，可以實現(xiàn)16Mbit的采集深度。
該存儲深度即可用于采集較長的數(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混合信號選件包含的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、延時觸發(fā)、碼型觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、建立保持時間觸發(fā)和帶觸發(fā)延時的串列觸發(fā)，可以設(shè)定時間延時、事件延時或是隨機時間延時。觸發(fā)源可以為獨立的數(shù)字通道、總線信號，也可以為采用邏輯運算符(如AND，OR或XOR)對全部數(shù)字通道進行邏輯組合。所有可以被用戶用作觸發(fā)源的信號，尤其是邏輯組合數(shù)字通道，都可以在觀測分析階段進行分析。
(5)高測量速度
數(shù)字示波器的設(shè)計過程中，所面臨的最大挑戰(zhàn)就是縮短“盲區(qū)時間”。該時間段不進行數(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)時間，以更快地檢測到偶發(fā)事件？
盲區(qū)時間的縮短可通過分析階段的優(yōu)化實現(xiàn)。R&S RTO系列示波器含有一個專用集成電路芯片(ASIC)，該芯片可以同時地進行數(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每秒100萬個可視波形。
借助混合信號選件，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、光標和測量等功能的整個過程中，全程信號處理均由一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件完成。全部16個數(shù)字通道可以并行地完成分析功能。分析速度高達20萬個可視波形/s。其速度最大值與正被分析的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量無關(guān)。
(6)基于信號的顯示模式
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系列示波器會完成來自模擬通道的波形的硬疊加功能(以RTO 100萬個波形/s為例，每次刷新顯示的是3.3萬個左右波形的疊加結(jié)果)，從而可以將全部波形顯示在屏幕上。對于數(shù)字通道，該混合信號選件也采用了這種顯示技術(shù)。
兩次屏幕刷新期間，所采集的全部二進制信號均采取了疊加處理。采集速度為20萬個波形/s時，屏幕上可以同時顯示所采集的全部6000左右個波形(見圖2)。因此，用戶可以對對于整個時間段內(nèi)的二進制信號狀態(tài)和邊沿轉(zhuǎn)換頻率有足夠信息的總體認識。此后，用戶可以采用搜索功能，從存儲器中讀出各個波形，并進行更加精確的分析。
圖2 以20萬波形/s的采集速度觀測數(shù)字和模擬波形
對于總線信號，由于它們包含了多個組合型二進制數(shù)字信號的數(shù)據(jù)信息，因此未進行疊加處理。為了更直觀的分析總線信號，用戶可將顯示格式調(diào)整為總線格式，同時對時鐘型數(shù)據(jù)總線與非時鐘數(shù)據(jù)總線進行了區(qū)分處理(見圖3)。對于非時鐘型數(shù)據(jù)總線，需要確定每個采樣周期的邏輯狀態(tài)。對于時鐘型數(shù)據(jù)總線，僅需要確定有效時鐘沿的邏輯狀態(tài)。顯示功能支持總線格式、表格式，也可以二進制、十六進制、十進制和分數(shù)等格式顯示模擬波形。
圖3 將并行總線信號顯示為模擬波形
(7)信號分析
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示波器能實現(xiàn)信號幅度和時間的自動測量，包括相應的統(tǒng)計分析功能、數(shù)學運算功能和光標功能等。對于數(shù)字通道，僅使用時間測量功能和相應的統(tǒng)計分析功能。數(shù)學運算功能則簡化為二進制數(shù)字信號的邏輯運算功能。
RTO混合信號選件擁有豐富的時間測量功能及統(tǒng)計分析功能供用戶選用。而且全部16個數(shù)字通道的任意邏輯組合可以作為數(shù)學運算的結(jié)果進行輸出顯示，也可以用作測量功能的源信號。光標功能可以支持二進制信號、總線信號以及邏輯組合型數(shù)字信號(見圖4)。
圖4 數(shù)字通道的測量和光標功能
3 市場前景
混合信號示波器擴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。其測試設(shè)置進行簡化設(shè)計、擁有優(yōu)異的操作一致性，可以在同一臺儀器上實現(xiàn)同時觀察模擬波形、數(shù)字波形和協(xié)議信息，給用戶帶來了極大的便利。據(jù)此，用戶可以更快地集中于實際的電路分析工作。采用混合信號示波器，硬件開發(fā)員可以分析信號的完整性，軟件開發(fā)員則可以分析信號的承載的信息內(nèi)容。
此外，混合信號示波器也可以輕松適應將來模擬和數(shù)字電路與日俱增的復雜性。其數(shù)字通道的帶寬將會越來越大，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)議分析儀的功能會得到提高；測試功能與分析選件數(shù)量也會不斷增加。然而，無論增強了哪些功能，首先要確保依然會是操作簡便性和直觀性。
4 新型混合信號選件簡介
除了R&S RTO系列示波器主機所提供的模擬通道之外，可以通過配備或是后升級的方式增加混合信號選件B1，以提供16個數(shù)字通道。這些數(shù)字通道支持5Gsample/s的采樣率(時間分辨率為200ps)。采樣率為5Gsample/s時，存儲深度為200Msample，其它情況下，其存儲深度為每個數(shù)字通道100Msample。當信號電壓大于500mV時，最高輸入頻率為400MHz。正常工作時，在模擬和數(shù)字通道上最多可以每秒采集20萬個可視波形。16個數(shù)字通道由兩個數(shù)字探頭組成，每個探頭各帶有8個數(shù)字通道。探頭的輸入阻抗測量值為100k?║4pF。門限值可以在±8V的范圍內(nèi)設(shè)置，步長25mV。并可以為觸發(fā)門限設(shè)置三個級別的遲滯電平范圍，以應對信號中可能存在的不同程度的噪聲干擾。
對于嵌入式系統(tǒng)而言，其承擔的任務(wù)越多，系統(tǒng)也就越復雜。與此同時，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。單獨一個設(shè)計就有可能采用單bit信號、時鐘型或非時鐘型并行數(shù)據(jù)總線和串行數(shù)據(jù)總線、標準或?qū)Ｓ玫膫鬏敻袷揭约案鞣N數(shù)據(jù)傳輸率。
模擬波形采用示波器進行分析，數(shù)字信號需要使用邏輯分析儀，而傳輸協(xié)議則借助協(xié)議分析儀進行分析。
在過去，示波器主要用于觀察隨著時間而變化的電壓信號?，F(xiàn)在，它已經(jīng)發(fā)展成一種通用的測試儀器。最新示波器可配置為混合信號示波器，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)議細節(jié)。其結(jié)果是，僅需一臺儀器、一個用戶接口，就可以完成電路中不同信號分析工作。因此，混合信號示波器對于硬件開發(fā)期間的信號完整性分析非常有價值，且對軟件開發(fā)期間的信號信息內(nèi)容分析的作用也越來越大。
2 混合信號示波器的功能
(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程可以分解為兩個連續(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，采樣的測試信號保存在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。采集階段的特性主要由采樣頻率、采集深度和觸發(fā)類型來體現(xiàn)。
在分析階段對已經(jīng)采集的波形進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、測量、光標、數(shù)學運算和搜索功能。
無論模擬通道，還是數(shù)字通道，混合信號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，以及由此而帶來眾多的設(shè)置選項，使得簡潔、清晰的用戶接口顯得更加重要。
R&S RTO設(shè)計有精簡的菜單結(jié)構(gòu)和信號流圖，帶有混合信號選件，使用極為簡單、直觀。操作菜單采用透明設(shè)計，測試窗口始終可見(見圖1)。因此，可以即時觀察到任何設(shè)置更改對波形可能帶來影響和變化。波形可以按組顯示在屏幕上獨立的窗口內(nèi)，以提高清晰度。
圖1 R&S RTO示波器
(2)時間同步
對模擬通道和數(shù)字通道的采集是在同一臺儀器上同時進行的，因此模擬波形、數(shù)字信號和協(xié)議信息具有時間相關(guān)性，可在同一個時間點進行分析。
為了同步地采集信號，必須對模擬通道和數(shù)字通道之間的延時進行補償。配備了混合信號選件，RTO會在儀器內(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補償。模擬探頭和數(shù)字探頭線之間的延時相對較小，如果這點時域?qū)τ脩魷y量影響不大，就無需再進行其它任何設(shè)置。
(3)時間分辨率和采集周期
模擬和數(shù)字通道均優(yōu)先采用高時間分辨率，原因在于，數(shù)字信號中的事件均采用高時間精度進行分析，即使極窄的毛刺也能可靠地檢測。當將數(shù)字通道用作觸發(fā)源，也可以高精度地確定觸發(fā)時間，保證屏幕上觀測到的波形抖動實現(xiàn)最小化。
R&S RTO-B1混合信號選件可以為16個數(shù)字通道提供高達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)字通道的時間分辨率可達200ps。同時，在其整個200Msample的采集深度上都可以獲得如此高的分辨率，這在這一級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，也可采用極高的時間精度進行顯示?；旌闲盘栠x件的數(shù)據(jù)存儲器獨立于主機。因此，200Msampl的采集深度不會受到當前正在使用的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量的影響。
如果模擬通道的時間分辨率大于數(shù)字通道(如采樣率達到10Gsample/s時或插值期間)，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，可以實現(xiàn)模擬波形和數(shù)字信號的聯(lián)合分析。
單數(shù)字通道最大采集深度200Msample，適于大多數(shù)應用中從串行總線采集較長的數(shù)據(jù)序列。例如，比特率400Mbit/s采樣頻率5Gsample/s，可以實現(xiàn)16Mbit的采集深度。
該存儲深度即可用于采集較長的數(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混合信號選件包含的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、延時觸發(fā)、碼型觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、建立保持時間觸發(fā)和帶觸發(fā)延時的串列觸發(fā)，可以設(shè)定時間延時、事件延時或是隨機時間延時。觸發(fā)源可以為獨立的數(shù)字通道、總線信號，也可以為采用邏輯運算符(如AND，OR或XOR)對全部數(shù)字通道進行邏輯組合。所有可以被用戶用作觸發(fā)源的信號，尤其是邏輯組合數(shù)字通道，都可以在觀測分析階段進行分析。
(5)高測量速度
數(shù)字示波器的設(shè)計過程中，所面臨的最大挑戰(zhàn)就是縮短“盲區(qū)時間”。該時間段不進行數(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)時間，以更快地檢測到偶發(fā)事件？
盲區(qū)時間的縮短可通過分析階段的優(yōu)化實現(xiàn)。R&S RTO系列示波器含有一個專用集成電路芯片(ASIC)，該芯片可以同時地進行數(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每秒100萬個可視波形。
借助混合信號選件，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、光標和測量等功能的整個過程中，全程信號處理均由一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件完成。全部16個數(shù)字通道可以并行地完成分析功能。分析速度高達20萬個可視波形/s。其速度最大值與正被分析的模擬和數(shù)字通道的數(shù)量無關(guān)。
(6)基于信號的顯示模式
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系列示波器會完成來自模擬通道的波形的硬疊加功能(以RTO 100萬個波形/s為例，每次刷新顯示的是3.3萬個左右波形的疊加結(jié)果)，從而可以將全部波形顯示在屏幕上。對于數(shù)字通道，該混合信號選件也采用了這種顯示技術(shù)。
兩次屏幕刷新期間，所采集的全部二進制信號均采取了疊加處理。采集速度為20萬個波形/s時，屏幕上可以同時顯示所采集的全部6000左右個波形(見圖2)。因此，用戶可以對對于整個時間段內(nèi)的二進制信號狀態(tài)和邊沿轉(zhuǎn)換頻率有足夠信息的總體認識。此后，用戶可以采用搜索功能，從存儲器中讀出各個波形，并進行更加精確的分析。
圖2 以20萬波形/s的采集速度觀測數(shù)字和模擬波形
對于總線信號，由于它們包含了多個組合型二進制數(shù)字信號的數(shù)據(jù)信息，因此未進行疊加處理。為了更直觀的分析總線信號，用戶可將顯示格式調(diào)整為總線格式，同時對時鐘型數(shù)據(jù)總線與非時鐘數(shù)據(jù)總線進行了區(qū)分處理(見圖3)。對于非時鐘型數(shù)據(jù)總線，需要確定每個采樣周期的邏輯狀態(tài)。對于時鐘型數(shù)據(jù)總線，僅需要確定有效時鐘沿的邏輯狀態(tài)。顯示功能支持總線格式、表格式，也可以二進制、十六進制、十進制和分數(shù)等格式顯示模擬波形。
圖3 將并行總線信號顯示為模擬波形
(7)信號分析
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示波器能實現(xiàn)信號幅度和時間的自動測量，包括相應的統(tǒng)計分析功能、數(shù)學運算功能和光標功能等。對于數(shù)字通道，僅使用時間測量功能和相應的統(tǒng)計分析功能。數(shù)學運算功能則簡化為二進制數(shù)字信號的邏輯運算功能。
RTO混合信號選件擁有豐富的時間測量功能及統(tǒng)計分析功能供用戶選用。而且全部16個數(shù)字通道的任意邏輯組合可以作為數(shù)學運算的結(jié)果進行輸出顯示，也可以用作測量功能的源信號。光標功能可以支持二進制信號、總線信號以及邏輯組合型數(shù)字信號(見圖4)。
圖4 數(shù)字通道的測量和光標功能
3 市場前景
混合信號示波器擴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。其測試設(shè)置進行簡化設(shè)計、擁有優(yōu)異的操作一致性，可以在同一臺儀器上實現(xiàn)同時觀察模擬波形、數(shù)字波形和協(xié)議信息，給用戶帶來了極大的便利。據(jù)此，用戶可以更快地集中于實際的電路分析工作。采用混合信號示波器，硬件開發(fā)員可以分析信號的完整性，軟件開發(fā)員則可以分析信號的承載的信息內(nèi)容。
此外，混合信號示波器也可以輕松適應將來模擬和數(shù)字電路與日俱增的復雜性。其數(shù)字通道的帶寬將會越來越大，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)議分析儀的功能會得到提高；測試功能與分析選件數(shù)量也會不斷增加。然而，無論增強了哪些功能，首先要確保依然會是操作簡便性和直觀性。
4 新型混合信號選件簡介
除了R&S RTO系列示波器主機所提供的模擬通道之外，可以通過配備或是后升級的方式增加混合信號選件B1，以提供16個數(shù)字通道。這些數(shù)字通道支持5Gsample/s的采樣率(時間分辨率為200ps)。采樣率為5Gsample/s時，存儲深度為200Msample，其它情況下，其存儲深度為每個數(shù)字通道100Msample。當信號電壓大于500mV時，最高輸入頻率為400MHz。正常工作時，在模擬和數(shù)字通道上最多可以每秒采集20萬個可視波形。16個數(shù)字通道由兩個數(shù)字探頭組成，每個探頭各帶有8個數(shù)字通道。探頭的輸入阻抗測量值為100k?║4pF。門限值可以在±8V的范圍內(nèi)設(shè)置，步長25mV。并可以為觸發(fā)門限設(shè)置三個級別的遲滯電平范圍，以應對信號中可能存在的不同程度的噪聲干擾。
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