利用智能示波器加快测试速度

样机筛选工作完成后，项目就进入到一个新阶段，开始准备向市场推出产品。此时需要进行一系列的操作检查和功能测试，以评估设备的各项指标。本文以USB一致性信号测试为例，介绍如何利用智能示波器加快测试的速度。

在上电检查阶段使用的工具一般都非常简单，如用万用表检查连接是否良好等等，但很快示波器就将成为首选工具，因为它给设计人员打开了一个窗口，可以显示相关的信号，分析噪声，并对脉宽、电压峰峰值、频率等参数进行测量。一旦硬件开始正常工作，工程师就将着手进行功能测试，确定被测对象是否在规定的时间以规定的方式运行。这里也需要大量使用示波器，以考察重要的时序特性，包括延迟、建立和保持时间、抖动等关键指标,这些指标对被测对象的性能和可靠性往往有很大影响。最后，进入整个系统评测阶段,包括是否可批量生产，以及是否符合规定的认证标准和协议等。

目前的示波器与五年前已有很大差别，如今的示波器是智能示波器，在原来的基础上增加了面向特定应用的各种测量能力，可以在测试各个阶段为设计工程师提供帮助。此外许多智能示波器还利用了PC的处理能力，可提供多种工具，简化并加快了测试与测量工作。

下面我们以安捷伦科技的智能示波器Infiniium为例，介绍如何实现USB端口的快速测试。USB端口可用于设备、集线器或系统中，把打印机、数码相机、扫描仪、扬声器或其它外设连接到PC上,它提供了一种简便、即时、无故障解决方案,这也是USB实现者论坛(USB-IF)的首要目标。同时USB-IF还把研发工程师能够简便设计USB作为另一个目标，为此该组织提供了一个定义规范的文档标准，并配有一套提供给硬件设计人员的与信号质量、涌入电流和分接/衰减(drop/droop)有关的标准化测试，所有这些测量都可以通过示波器完成。

那么示波器怎样帮助USB设计人员完成从上电到一致性测试的全部工作呢？

我们先从运行测试开始，第一个任务是捕捉代表主机和设备之间通信的数据报文。上行数据报文从设备或集线器传送到系统中，下行数据报文则从系统向下传送到集线器或设备中。USB采用的是由D+、D-、Vbus和接地组成的4线屏蔽系统，其中差动D+和D-信号承载信号传输，Vbus承载功率(这样设备可以从USB集线器或系统中获得功率)，因此需要对D+和D-信号进行捕捉和分析。

如图1所示，智能示波器可以使信号捕捉变得非常简便。先使用autoscale功能，它将自动显示任何活动信号。示波器处理器对某些初期捕捉到的波形信号进行分析后，将自动设置时基(秒/格)、电压设置(电压/格)和触发门限。利用这种功能，设计人员可以迅速确定数据传输情况(如果有数据在传输的话)。另一个捕捉这些信号的快速方法是使用Infiniium的USB测试选件里自带的内置设置。由于USB-IF有效地定义了信号及触发方式，因此可简便配置设置文件，把文件存储在示波器里，也可使用选件提供的设置文件。这样设置的调用过程就得以简化，并可根据标准来设置示波器，完成信号捕捉。

接下来，触发功能可确保在示波器上看到期望中的传输信号，并加以分析。考虑一下最简单的情况，即报文从计算机下行到集线器。这时的触发非常简单，因为没有任何其它通信，简单的一个边沿触发就可以捕捉一个报文。另外一种情况是报文从设备上行到系统中，此时需要设置一个唯一的触发条件。USB标准定义了这一触发条件，即当被测器件的D+和D-都变低，而连接集线器的另一台相邻设备的D+为高时触发。这种LLH码型将唯一识别来自被测器件的上行报文(如图2)。

一旦信息报文被示波器捕捉，就可以开始实际的测量工作了。通过示波器可以进行功能测试，检验数据传输是否满足USB标准；通过自动测量或光标测量功能，可以迅速测量报文末尾宽度、脉宽、电压电平。另外因为信号是以数据的形式记录下来，故而还可利用其它强大的数学处理能力分析这一数据。

USB存在一套定义规范的标准，为符合USB规范，必须进行一系列测量。此外，USB-IF不像其它标准那样，只是列出一长串需要测量的项目，而是使用了MathWorks的MatLab提供的运行分析脚本,自动完成测量过程。任何USB设备、集线器和系统的设计人员都可以从USB网站上(www.usb.org)免费下载这些脚本，以便与MatLab一起使用。

过去为了利用标准测试脚本，必须把波形数据从示波器传送到PC上，再使用MatLab的USB脚本进行分析，一般通过GPIB或软盘把数据传送给PC。然后还必须正确地修整数据，因为实际上只是在分析部分波形记录，标准规定只应使用记录开始前一比特数据及记录结束后一比特的数据。在某些情况下，可使用Excel一次性修整这些数据，其它时候则需要使用数据采集程序。数据记录必须同时包含两条信道的时间和电压值，存储在用制表符分隔的变量文件中(.tsv文件)。对数据进行修整和格式化之前，应在PC上启动MathWorks MatLab，将这些数据调入到从USB网站下载的USB脚本中运行。MatLab脚本会生成一个html文件，显示各种信号质量或涌入电流，或分接/衰减测试情况，指出系统整体是否通过测试，并提供每项的测试结果和说明。如果没有智能示波器，即使有这种自动测试脚本也将是一个非常繁琐费时的工作，所以许多工程师有时会放弃这种测量。

带有USB测试选件的Infiniium利用内置PC，在示波器中嵌入了MathWorks MatLab和USB脚本，可于示波器上完成数据报文捕捉和测试分析整个过程，不用把数据传输到PC上就可以完成整个USB一致性测试。

我们再看一个信号质量测试的执行情况。首先，用光标标出要分析的数据报文，左边的标尺放在数据开始左边一个比特时间上，右边的标尺放在报文末尾右边至少一个比特时间上(如图1)，然后在显示屏顶部的工具条中，点击Analyze(分析)，启动USB测试，再简单地选择相关的测试(在本例中为信号质量)，指明结果应存储的文件名，开始测试(如图3)。它不需要把数据传输到PC上，也不需要修整和格式化数据及启动MatLab，所有这些都使用智能示波器的USB测试选件完成。USB测试选件在运行时将MatLab嵌入到示波器中，从而可以像自动测量一样简便地完成USB一致性测试。

上面介绍的只是智能示波器提高测量技术的一个实例，此时设计工程师不用再把数据传输到PC上进行分析，新型数字智能示波器的体系结构已使这种测量应用成为现实。利用示波器处理器的处理能力，智能示波器可简化调试阶段繁琐耗时的测量工作。

作者: Helen Muterspaugh