采用混合信号示波器实现对嵌入式系统的快速分析

1 引言

对于嵌入式系统而言，其承担的任务越多，系统也就越复杂。与此同时，数字器件与模拟器件之间的接口种类和数量也随之增长。单独一个设计就有可能采用单bit信号、时钟型或非时钟型并行数据总线和串行数据总线、标准或专用的传输格式以及各种数据传输率。

任何人如果想应对这种不断增长的复杂性，必须对所有这些不同电平的接口信号进行分析。这些分析工作通常需要一个由多种仪器的组成测试系统，且各个仪器的操作也是各不相同：模拟波形采用示波器进行分析，数字信号需要使用逻辑分析仪，而传输协议则借助协议分析仪进行分析。

在过去，示波器主要用于观察随着时间而变化的电压信号。现在，它已经发展成一种通用的测试仪器。最新示波器可配置为混合信号示波器，除了模拟通道之外，还提供有数字通道，可以分析数字状态和协议细节。其结果是，仅需一台仪器、一个用户接口，就可以完成电路中不同信号分析工作。因此，混合信号示波器对于硬件开发期间的信号完整性分析非常有价值，且对软件开发期间的信号信息内容分析的作用也越来越大。

本文主要介绍混合信号示波器的功能，并以带有可集成式R&S RTO-B1混合信号选件的罗德与施瓦茨RTO系列示波器为示例，描述如何使用这些功能。

2 混合信号示波器的功能

(1)两阶段式工作原理：采集阶段和分析阶段

数字式示波器的工作过程可以分解为两个连续的阶段，即采集阶段及其后续分析阶段。在采集阶段期间，采样的测试信号保存在数据存储器内。采集阶段的特性主要由采样频率、采集深度和触发类型来体现。

在分析阶段对已经采集的波形进行分析并输出至用户接口，例如输出至仪器上的显示屏或者以文件形式输出。数字式示波器的数据分析功能包含缩放、测量、光标、数学运算和搜索功能。

无论模拟通道，还是数字通道，混合信号示波器均使用两阶段式工作原理，除了可以继续被用作传统的示波器，还集成数字通道。通道数量众多，以及由此而带来众多的设置选项，使得简洁、清晰的用户接口显得更加重要。

R&S RTO设计有精简的菜单结构和信号流图，带有混合信号选件，使用极为简单、直观。操作菜单采用透明设计，测试窗口始终可见(见图1)。因此，可以即时观察到任何设置更改对波形可能带来影响和变化。波形可以按组显示在屏幕上独立的窗口内，以提高清晰度。

     图1 R&S RTO示波器

(2)时间同步

对模拟通道和数字通道的采集是在同一台仪器上同时进行的，因此模拟波形、数字信号和协议信息具有时间相关性，可在同一个时间点进行分析。

为了同步地采集信号，必须对模拟通道和数字通道之间的延时进行补偿。配备了混合信号选件，RTO会在仪器内部的数字通道探头盒和模拟通道探头连接器之间完成这种延时补偿。模拟探头和数字探头线之间的延时相对较小，如果这点时域对用户测量影响不大，就无需再进行其它任何设置。

(3)时间分辨率和采集周期

模拟和数字通道均优先采用高时间分辨率，原因在于，数字信号中的事件均采用高时间精度进行分析，即使极窄的毛刺也能可靠地检测。当将数字通道用作触发源，也可以高精度地确定触发时间，保证屏幕上观测到的波形抖动实现最小化。

R&S RTO-B1混合信号选件可以为16个数字通道提供高达5Gsample/s的采样频率；与此相比，模拟通道的采样频率则为10Gsample/s由此，数字通道的时间分辨率可达200ps。同时，在其整个200Msample的采集深度上都可以获得如此高的分辨率，这在这一级别的示波器中是惟一的。即使触发事件很久之后才出现的事件，也可采用极高的时间精度进行显示。混合信号选件的数据存储器独立于主机。因此，200Msampl的采集深度不会受到当前正在使用的模拟和数字通道的数量的影响。

如果模拟通道的时间分辨率大于数字通道(如采样率达到10Gsample/s时或插值期间)，则使用采样与保持插值，将数字通道调整至模拟通道的采样率。因此，可以实现模拟波形和数字信号的联合分析。

单数字通道最大采集深度200Msample，适于大多数应用中从串行总线采集较长的数据序列。例如，比特率400Mbit/s采样频率5Gsample/s，可以实现16Mbit的采集深度。

该存储深度即可用于采集较长的数据序列，也可用于采集大量的连续波形。

(4)触发条件

数字通道通常采用单幅度门限的触发采集工作方式(如逻辑转换门限)。R&S RTO-B1混合信号选件包含的触发类型有边沿触发、脉宽触发、延时触发、码型触发、状态触发、建立保持时间触发和带触发延时的串列触发，可以设定时间延时、事件延时或是随机时间延时。触发源可以为独立的数字通道、总线信号，也可以为采用逻辑运算符(如AND，OR或XOR)对全部数字通道进行逻辑组合。所有可以被用户用作触发源的信号，尤其是逻辑组合数字通道，都可以在观测分析阶段进行分析。

(5)高测量速度

数字示波器的设计过程中，所面临的最大挑战就是缩短"盲区时间"。该时间段不进行数据采集，因而有可能漏检需要关注的偶发事件。如何才能缩短盲区时间，以更快地检测到偶发事件？

盲区时间的缩短可通过分析阶段的优化实现。R&S RTO系列示波器含有一个专用集成电路芯片(ASIC)，该芯片可以同时地进行数据采集和数据分析工作。借助该功能，示波器工作速度可高达每秒100万个可视波形。

借助混合信号选件，RTO也可以以极高的性能集成数字通道。在包含采集和触发、显示、光标和测量等功能的整个过程中，全程信号处理均由一个现场可编程门阵列(FPGA)器件完成。全部16个数字通道可以并行地完成分析功能。分析速度高达20万个可视波形/s。其速度最大值与正被分析的模拟和数字通道的数量无关。

(6)基于信号的显示模式

显示内容每30ms刷新一次，以与人眼的视觉相一致。因此，在相邻的两次屏幕刷新期间，R&S RTO系列示波器会完成来自模拟通道的波形的硬叠加功能(以RTO 100万个波形/s为例，每次刷新显示的是3.3万个左右波形的叠加结果)，从而可以将全部波形显示在屏幕上。对于数字通道，该混合信号选件也采用了这种显示技术。

两次屏幕刷新期间，所采集的全部二进制信号均采取了叠加处理。采集速度为20万个波形/s时，屏幕上可以同时显示所采集的全部6000左右个波形(见图2)。因此，用户可以对对于整个时间段内的二进制信号状态和边沿转换频率有足够信息的总体认识。此后，用户可以采用搜索功能，从存储器中读出各个波形，并进行更加精确的分析。

     图2 以20万波形/s的采集速度观测数字和模拟波形

对于总线信号，由于它们包含了多个组合型二进制数字信号的数据信息，因此未进行叠加处理。为了更直观的分析总线信号，用户可将显示格式调整为总线格式，同时对时钟型数据总线与非时钟数据总线进行了区分处理(见图3)。对于非时钟型数据总线，需要确定每个采样周期的逻辑状态。对于时钟型数据总线，仅需要确定有效时钟沿的逻辑状态。显示功能支持总线格式、表格式，也可以二进制、十六进制、十进制和分数等格式显示模拟波形。

     图3 将并行总线信号显示为模拟波形

(7)信号分析

示波器能提供的分析功能的数量和能力是其能否高效的分析波形关键因素。尤其需要指出的是，RTO示波器能实现信号幅度和时间的自动测量，包括相应的统计分析功能、数学运算功能和光标功能等。对于数字通道，仅使用时间测量功能和相应的统计分析功能。数学运算功能则简化为二进制数字信号的逻辑运算功能。

RTO混合信号选件拥有丰富的时间测量功能及统计分析功能供用户选用。而且全部16个数字通道的任意逻辑组合可以作为数学运算的结果进行输出显示，也可以用作测量功能的源信号。光标功能可以支持二进制信号、总线信号以及逻辑组合型数字信号(见图4)。

     图4 数字通道的测量和光标功能

3 市场前景

混合信号示波器扩展了示波器的基本功能，包含了逻辑分析仪和协议分析仪功能。其测试设置进行简化设计、拥有优异的操作一致性，可以在同一台仪器上实现同时观察模拟波形、数字波形和协议信息，给用户带来了极大的便利。据此，用户可以更快地集中于实际的电路分析工作。采用混合信号示波器，硬件开发员可以分析信号的完整性，软件开发员则可以分析信号的承载的信息内容。

此外，混合信号示波器也可以轻松适应将来模拟和数字电路与日俱增的复杂性。其数字通道的带宽将会越来越大，可以分析具备更高数据传输率的接口；逻辑分析仪和协议分析仪的功能会得到提高；测试功能与分析选件数量也会不断增加。然而，无论增强了哪些功能，首先要确保依然会是操作简便性和直观性。

4 新型混合信号选件简介

除了R&S RTO系列示波器主机所提供的模拟通道之外，可以通过配备或是后升级的方式增加混合信号选件B1，以提供16个数字通道。这些数字通道支持5Gsample/s的采样率(时间分辨率为200ps)。采样率为5Gsample/s时，存储深度为200Msample，其它情况下，其存储深度为每个数字通道100Msample。当信号电压大于500mV时，最高输入频率为400MHz。正常工作时，在模拟和数字通道上最多可以每秒采集20万个可视波形。16个数字通道由两个数字探头组成，每个探头各带有8个数字通道。探头的输入阻抗测量值为100k?║4pF。门限值可以在±8V的范围内设置，步长25mV。并可以为触发门限设置三个级别的迟滞电平范围，以应对信号中可能存在的不同程度的噪声干扰。