混合信號示波器對嵌入式系統的快速分析
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。
對于嵌入式系統而言，其承擔的任務越多，系統也就越復雜。與此同時，數字器件與模擬器件之間的接口種類和數量也隨之增長。單獨一個設計就有可能采用單bit信號、時鐘型或非時鐘型并行數據總線和串行數據總線、標準或專用的傳輸格式以及各種數據傳輸率。
模擬波形采用示波器進行分析，數字信號需要使用邏輯分析儀，而傳輸協議則借助協議分析儀進行分析。
在過去，示波器主要用于觀察隨著時間而變化的電壓信號。現在，它已經發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，還提供有數字通道，可以分析數字狀態和協議細節。其結果是，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期間的信號完整性分析非常有價值，且對軟件開發期間的信號信息內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
數字式示波器的工作過程可以分解為兩個連續的階段，即采集階段及其后續分析階段。在采集階段期間，采樣的測試信號保存在數據存儲器內。采集階段的特性主要由采樣頻率、采集深度和觸發類型來體現。
在分析階段對已經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。數字式示波器的數據分析功能包含縮放、測量、光標、數學運算和搜索功能。
無論模擬通道，還是數字通道，混合信號示波器均使用兩階段式工作原理，除了可以繼續被用作傳統的示波器，還集成數字通道。通道數量眾多，以及由此而帶來眾多的設置選項，使得簡潔、清晰的用戶接口顯得更加重要。
R&S RTO設計有精簡的菜單結構和信號流圖，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計，測試窗口始終可見(見圖1)。因此，可以即時觀察到任何設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，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、數字信號和協議信息具有時間相關性，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會在儀器內部的數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。模擬探頭和數字探頭線之間的延時相對較小，如果這點時域對用戶測量影響不大，就無需再進行其它任何設置。
(3)時間分辨率和采集周期
模擬和數字通道均優先采用高時間分辨率，原因在于，數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。當將數字通道用作觸發源，也可以高精度地確定觸發時間，保證屏幕上觀測到的波形抖動實現最小化。
R&S RTO-B1混合信號選件可以為16個數字通道提供高達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。即使觸發事件很久之后才出現的事件，也可采用極高的時間精度進行顯示。混合信號選件的數據存儲器獨立于主機。因此，200Msampl的采集深度不會受到當前正在使用的模擬和數字通道的數量的影響。
如果模擬通道的時間分辨率大于數字通道(如采樣率達到10Gsample/s時或插值期間)，則使用采樣與保持插值，將數字通道調整至模擬通道的采樣率。因此，可以實現模擬波形和數字信號的聯合分析。
單數字通道最大采集深度200Msample，適于大多數應用中從串行總線采集較長的數據序列。例如，比特率400Mbit/s采樣頻率5Gsample/s，可以實現16Mbit的采集深度。
該存儲深度即可用于采集較長的數據序列，也可用于采集大量的連續波形。
(4)觸發條件
數字通道通常采用單幅度門限的觸發采集工作方式(如邏輯轉換門限)。R&S RTO-B1混合信號選件包含的觸發類型有邊沿觸發、脈寬觸發、延時觸發、碼型觸發、狀態觸發、建立保持時間觸發和帶觸發延時的串列觸發，可以設定時間延時、事件延時或是隨機時間延時。觸發源可以為獨立的數字通道、總線信號，也可以為采用邏輯運算符(如AND，OR或XOR)對全部數字通道進行邏輯組合。所有可以被用戶用作觸發源的信號，尤其是邏輯組合數字通道，都可以在觀測分析階段進行分析。
(5)高測量速度
數字示波器的設計過程中，所面臨的最大挑戰就是縮短“盲區時間”。該時間段不進行數據采集，因而有可能漏檢需要關注的偶發事件。如何才能縮短盲區時間，以更快地檢測到偶發事件？
盲區時間的縮短可通過分析階段的優化實現。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據采集和數據分析工作。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字通道。在包含采集和觸發、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場可編程門陣列(FPGA)器件完成。全部16個數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字通道的數量無關。
(6)基于信號的顯示模式
顯示內容每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果)，從而可以將全部波形顯示在屏幕上。對于數字通道，該混合信號選件也采用了這種顯示技術。
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的二進制信號狀態和邊沿轉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字信號的數據信息，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整為總線格式，同時對時鐘型數據總線與非時鐘數據總線進行了區分處理(見圖3)。對于非時鐘型數據總線，需要確定每個采樣周期的邏輯狀態。對于時鐘型數據總線，僅需要確定有效時鐘沿的邏輯狀態。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量和能力是其能否高效的分析波形關鍵因素。尤其需要指出的是，RTO示波器能實現信號幅度和時間的自動測量，包括相應的統計分析功能、數學運算功能和光標功能等。對于數字通道，僅使用時間測量功能和相應的統計分析功能。數學運算功能則簡化為二進制數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計分析功能供用戶選用。而且全部16個數字通道的任意邏輯組合可以作為數學運算的結果進行輸出顯示，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字信號(見圖4)。
圖4 數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議分析儀功能。其測試設置進行簡化設計、擁有優異的操作一致性，可以在同一臺儀器上實現同時觀察模擬波形、數字波形和協議信息，給用戶帶來了極大的便利。據此，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，硬件開發員可以分析信號的完整性，軟件開發員則可以分析信號的承載的信息內容。
此外，混合信號示波器也可以輕松適應將來模擬和數字電路與日俱增的復雜性。其數字通道的帶寬將會越來越大，可以分析具備更高數據傳輸率的接口；邏輯分析儀和協議分析儀的功能會得到提高；測試功能與分析選件數量也會不斷增加。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個數字通道。這些數字通道支持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，在模擬和數字通道上最多可以每秒采集20萬個可視波形。16個數字通道由兩個數字探頭組成，每個探頭各帶有8個數字通道。探頭的輸入阻抗測量值為100k?║4pF。門限值可以在±8V的范圍內設置，步長25mV。并可以為觸發門限設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。
對于嵌入式系統而言，其承擔的任務越多，系統也就越復雜。與此同時，數字器件與模擬器件之間的接口種類和數量也隨之增長。單獨一個設計就有可能采用單bit信號、時鐘型或非時鐘型并行數據總線和串行數據總線、標準或專用的傳輸格式以及各種數據傳輸率。
模擬波形采用示波器進行分析，數字信號需要使用邏輯分析儀，而傳輸協議則借助協議分析儀進行分析。
在過去，示波器主要用于觀察隨著時間而變化的電壓信號。現在，它已經發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，還提供有數字通道，可以分析數字狀態和協議細節。其結果是，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期間的信號完整性分析非常有價值，且對軟件開發期間的信號信息內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
數字式示波器的工作過程可以分解為兩個連續的階段，即采集階段及其后續分析階段。在采集階段期間，采樣的測試信號保存在數據存儲器內。采集階段的特性主要由采樣頻率、采集深度和觸發類型來體現。
在分析階段對已經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。數字式示波器的數據分析功能包含縮放、測量、光標、數學運算和搜索功能。
無論模擬通道，還是數字通道，混合信號示波器均使用兩階段式工作原理，除了可以繼續被用作傳統的示波器，還集成數字通道。通道數量眾多，以及由此而帶來眾多的設置選項，使得簡潔、清晰的用戶接口顯得更加重要。
R&S RTO設計有精簡的菜單結構和信號流圖，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計，測試窗口始終可見(見圖1)。因此，可以即時觀察到任何設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，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、數字信號和協議信息具有時間相關性，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會在儀器內部的數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。模擬探頭和數字探頭線之間的延時相對較小，如果這點時域對用戶測量影響不大，就無需再進行其它任何設置。
(3)時間分辨率和采集周期
模擬和數字通道均優先采用高時間分辨率，原因在于，數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。當將數字通道用作觸發源，也可以高精度地確定觸發時間，保證屏幕上觀測到的波形抖動實現最小化。
R&S RTO-B1混合信號選件可以為16個數字通道提供高達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。即使觸發事件很久之后才出現的事件，也可采用極高的時間精度進行顯示。混合信號選件的數據存儲器獨立于主機。因此，200Msampl的采集深度不會受到當前正在使用的模擬和數字通道的數量的影響。
如果模擬通道的時間分辨率大于數字通道(如采樣率達到10Gsample/s時或插值期間)，則使用采樣與保持插值，將數字通道調整至模擬通道的采樣率。因此，可以實現模擬波形和數字信號的聯合分析。
單數字通道最大采集深度200Msample，適于大多數應用中從串行總線采集較長的數據序列。例如，比特率400Mbit/s采樣頻率5Gsample/s，可以實現16Mbit的采集深度。
該存儲深度即可用于采集較長的數據序列，也可用于采集大量的連續波形。
(4)觸發條件
數字通道通常采用單幅度門限的觸發采集工作方式(如邏輯轉換門限)。R&S RTO-B1混合信號選件包含的觸發類型有邊沿觸發、脈寬觸發、延時觸發、碼型觸發、狀態觸發、建立保持時間觸發和帶觸發延時的串列觸發，可以設定時間延時、事件延時或是隨機時間延時。觸發源可以為獨立的數字通道、總線信號，也可以為采用邏輯運算符(如AND，OR或XOR)對全部數字通道進行邏輯組合。所有可以被用戶用作觸發源的信號，尤其是邏輯組合數字通道，都可以在觀測分析階段進行分析。
(5)高測量速度
數字示波器的設計過程中，所面臨的最大挑戰就是縮短“盲區時間”。該時間段不進行數據采集，因而有可能漏檢需要關注的偶發事件。如何才能縮短盲區時間，以更快地檢測到偶發事件？
盲區時間的縮短可通過分析階段的優化實現。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據采集和數據分析工作。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字通道。在包含采集和觸發、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場可編程門陣列(FPGA)器件完成。全部16個數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字通道的數量無關。
(6)基于信號的顯示模式
顯示內容每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果)，從而可以將全部波形顯示在屏幕上。對于數字通道，該混合信號選件也采用了這種顯示技術。
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的二進制信號狀態和邊沿轉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字信號的數據信息，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整為總線格式，同時對時鐘型數據總線與非時鐘數據總線進行了區分處理(見圖3)。對于非時鐘型數據總線，需要確定每個采樣周期的邏輯狀態。對于時鐘型數據總線，僅需要確定有效時鐘沿的邏輯狀態。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量和能力是其能否高效的分析波形關鍵因素。尤其需要指出的是，RTO示波器能實現信號幅度和時間的自動測量，包括相應的統計分析功能、數學運算功能和光標功能等。對于數字通道，僅使用時間測量功能和相應的統計分析功能。數學運算功能則簡化為二進制數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計分析功能供用戶選用。而且全部16個數字通道的任意邏輯組合可以作為數學運算的結果進行輸出顯示，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字信號(見圖4)。
圖4 數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議分析儀功能。其測試設置進行簡化設計、擁有優異的操作一致性，可以在同一臺儀器上實現同時觀察模擬波形、數字波形和協議信息，給用戶帶來了極大的便利。據此，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，硬件開發員可以分析信號的完整性，軟件開發員則可以分析信號的承載的信息內容。
此外，混合信號示波器也可以輕松適應將來模擬和數字電路與日俱增的復雜性。其數字通道的帶寬將會越來越大，可以分析具備更高數據傳輸率的接口；邏輯分析儀和協議分析儀的功能會得到提高；測試功能與分析選件數量也會不斷增加。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個數字通道。這些數字通道支持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，在模擬和數字通道上最多可以每秒采集20萬個可視波形。16個數字通道由兩個數字探頭組成，每個探頭各帶有8個數字通道。探頭的輸入阻抗測量值為100k?║4pF。門限值可以在±8V的范圍內設置，步長25mV。并可以為觸發門限設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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