浅析混合信号示波器在复杂系统测试应用

      当代电子电路设计中，特别是嵌入式电路设计，面临很多新技术的挑战，如：更多的总线应用，更高速的时钟和数字信号，集成度更高的PCB设计，很多设计中还融入了RF功能。面对这样的设计工作，工程师需要相应的测试手段和工具，来完成比以往更加复杂的测试任务。为了解系统的整体工作特性，工程师只有同时测量模拟、数字信号，甚至包括总线信号，才能了解系统故障的原因和掌握信号和指令的时序和逻辑关系。

　　在许多复杂的测试方案中，示波器并不能为其提供足够的通道数量。工程师要么在实验室中多找几台示波器，要么使用逻辑分析仪。但不管是哪种情况，复杂性都会明显提高。例如数字设计中经常遇到的建立保持违规问题。传统电路中的时钟速度较低，对信号建立保持性能的余量较大。

　　但随着系统主频的不断增加，PCB设计的日益复杂，建立保持违规问题越来越常见。检测该问题需要设定一个通道为时钟信号，另一个通道为数据信号，并设定相应的时间范围。但需要同时测量多路信号的建立保持问题时，传统的示波器显然无法满足，需要带有数字逻辑通道的示波器才能完成此类工作。混合信号示波器(MSO)同时提供了模拟通道和数字通道，为应对这类测量挑战提供了理想的解决方案。

　　罗德与施瓦茨(Rohde & Schwarz)中国区示波器业务发展经理焦保春指出，由于混合信号示波器具有更多的通道和整体触发分析功能，因此可以很好地解决上述问题。首先混合信号示波器的通道数更多，可以同时测试多路模拟、数字和总线信号。其次，多路信号在总线上时时间相关的，且可以利用总线数据的特征作为触发条件，捕获数据指令产生前的系统状态，以及数据发出后的变化情况。由于具有多通道的特性，模拟加数字加总线信号，工程师可以做系统级的分析和调试。

　　罗德与施瓦茨公司的混合信号示波器拥有杰出的技术指标和功能。其MSO的数字通道采样率为5Gs/S，这意味可以发现更窄的毛刺，找出一些在其他示波器不能发现的高速数字异常。此外，200M的数字存储长度也远高于其他竞争产品。拥有更长的存储可以使用户在同样的高采样率下，捕获更长时间的信号，发现故障更加容易。

　　RTO混合信号示波器的创新还包括对数字通道也拥有200,000次/秒以上的波形捕获率(模拟通道的波形捕获率为1,000,000次/秒)。如果数字通道可以快速捕获和显示波形，用户就可以轻松发现多达16条通道上偶然出现的故障，极大简化了多通道系统排障工作。另一项独特的功能是混合信号与RF信号的相关测试，RTO示波器拥有强大的频域分析功能，能够完成一些通常只有频谱分析仪才能做到的频谱分析和频域测量工作。

　　另一方面，传统的示波器一般只有4个通道，在调试电路时会出现很多瓶颈。例如，即使调试简单的8位单片机电路，也无法时间相关地同时观察数模转换器的输出和多路IO信号，如果分时测试，则对偶发故障毫无办法;

　　出现故障时，要了解故障是否是在单片机或内存芯片特定时候产生的，因为没有足够的通道连到被测系统的控制信号上，无法知道故障产生时控制信号处于何种状态;而在使用了FPGA的电路中，不仅测试管脚多，而且其内部节点更多，要验证其内部节点的状态，仅使用厂家提供的内部逻辑分析仪或JTAG调试工具是不够的，因为那样无法看到信号时序信息或信号完整性问题。

　　除了通道数不够，示波器本底噪声过大，ADC分辨率和动态范围不够;高带宽示波器往往只兼顾高速信号的测试;没有和示波器相匹配的多通道逻辑时序测试探头，没有专用的频谱分析仪选件以及协议分析选件等都是传统示波器面临的问题。

　　力科公司(LeCroy)市场部经理胡为东介绍说，力科示波器集高ADC位数(12位ADC)、高动态范围、多达36通道的数字逻辑探头、专用频谱分析仪选件、协议分析仪选件于一身，通过LBUS接口实现多通道示波器，通过8HP锗化硅技术实现36GHz的芯片;采用DBI数字带宽复用专利技术、ChannelSync通道同步专利技术可实现高达65GHz和多达80个通道的精确同步;高带宽示波器中还集成了高速信号测试接口和低速信号测试接口;集成的专用协议分析仪功能可实现各种低速总线、高速总线的协议层分析能力。

　　安捷伦科技(Agilent)示波器和数字电路测试亚太区市场开发经理杜吉伟对此亦有认同：混合信号示波器的优势在于具有更多的通道数，一般是在2或4个示波器通道的基础上追加16个逻辑分析仪通道;支持混合信号触发，可观察模拟信号与多路数字信号之间的时序等。

　　泰克公司(Tektronix)大中华区分销业务高级技术营销经理邓锦辉谈到，对于嵌入式系统测试，示波器提供的功能可分成几个阶段：第一个阶段是怎么保证信号从被测系统传输到测试仪器，这涉及探头问题。第二个阶段是信号进来后怎样从所输入的信号中发现问题，即发现问题。第三个阶段是发现问题后怎样抓住定位这个问题。第四个阶段是获取大量数据后怎样快速找到问题所在位置和时刻，当前时刻究竟发生了什么问题，即搜索功能。最后是联测跟分析功能。

　　当前示波器市场竞争非常厉害，“泰克的竞争优势之一是，在终端示波器市场以及整个示波器市场，探头是做得最好的。”如果信号进来就已经失真了或者被干扰了，那么更好的分析功能也没用，因此泰克花费了很多功夫来实现探头的突破。据邓锦辉介绍，许多竞争对手甚至做了一些适配器来配合泰克的探头，因为他们的探头无法做到泰克这么全面和准确。例如，过去对于无源探头而言，电阻、电容电路无法做到很高频宽，而泰克通过DSB的方法校正前端放大器的频闪，将探头的频闪从500M提高到了1G。泰克针对不同通道数量和记录长度的更灵活的配置需求推出了六种带宽为1GHz的新型号MSO/DPO4000B示波器。其中包括记录长度为20M的双通道机型，以及5M记录长度的双通道和四通道“精简”版机型。新产品在触发、搜索和分析等重要方面毫无性能牺牲，同时还包括1GHz无源探头。

　　怎样让调试更快速一直是终端示波器需要面对的一个难点，尤其怎么发现问题，抓住问题以及搜索这些问题的所在点。“泰克提供了很多不同的手段，允许客户自定义很多不同的触发条件以及搜索的条件，锁定其所关注的事情或故障的位置，我们提供的各种条件目前是最多、最全的。”邓锦辉还表示，与高端频谱仪的定位不同，混合域示波器(MDO)的频谱仪定位在调测目的，其中有模拟信号、数字信号、射频信号等来跟踪信号的互相联系。“MDO提供的价值在于它是一个系统的调测工具，可以同时测试16个数字通道，4个模拟通道和1个射频通道，测试这21个通道之间在时间上的关系。”

　　目前共享时基和触发的混合信号示波器最多支持16个逻辑通道，逻辑分析仪的功能相对简单。可以预见的是，未来的混合信号示波器将具有更高的数字采样率和波形捕获率，更强大的总线分析能力，模拟、数字甚至包括射频信号的相互触发和分析能力。安捷伦科技的杜吉伟认为：未来的三到五年内，混合信号示波器仍会以示波器功能为主，逻辑分析仪功能为辅。

　　混合信号示波器会出现在更高带宽的示波器中，目前MSO9000A最高带宽是4GHz，不久的将来会出现20GHz、25GHz、33GHz带宽的混合信号示波器。混合信号示波器的逻辑通道的定时采样速率会不断提升，目前示波器的采样率已经达到160GSa/s(如安捷伦63GHz带宽实时示波器)，逻辑通道的定时速率有机会达到或突破20GSa/s。逻辑通道的功能会增强，包括类似逻辑分析仪的图形显示，在图形显示基础上再进行其它数学处理如FFT等。