混合信号示波器快速、精确测试嵌入式系统设计

　　摘要：嵌入式设计在各种各样的先进电子设备中发挥着不可或缺的作用，包括从移动电话和MP3播放器到医疗设备和工业控制系统。此外，处理器单元、各种模拟和数字功能块也大量使用。当定时相关很关键时，在不同功能块中同时进行信号分析，是开发和测试这类系统面临的主要挑战。然而，罗德与施瓦茨公司(R&S) RTE混合信号示波器非常适合完成这项任务。

　　除了模拟通道，先进的混合信号示波器也包括用来分析数字逻辑状态和协议信息的数字通道。在对新模块进行初始化操作时，嵌入式设计开发人员需要执行一系列各类测量。除了串行和并行数据总线上的数字信号以外，还需要分析来自如A/D转换器和电源这类组件的模拟信号。由于开发周期不断缩短，尽快完成这类分析工作的压力持续增加。这就是为什么能够提供可靠测量结果的全面综合测量工具对今天的开发人员至关重要的原因。

　　图1显示为包含A/D转换器的模块。本篇文章将讨论如何使用先进的混合信号示波器(Mixed Signal Oscilloscope, MSO)高效分析这类模块。这里重要的是评估模拟信号特性，以及A/D转换器输入信号质量。就其数字电路而言，A/D转换器输出必须正常工作，SPI控制指令必须正确解码。当然，时钟信号对A/D转换器正常运行也起重要作用。最后，必须测试电源质量。

　　快速表征模拟信号

　　作为调试过程的第一步，用示波器观察主要感兴趣信号，本例是A/D转换器输入信号，看看信号中是否存在如毛刺或矮脉冲之类的任何罕见故障。R&S RTE先进数字示波器提供高达每秒1百万个波形的高波形捕获率，能够以很高概率快速地定位并消除系统缺陷。

　　R&S RTE QuickMeas功能使用户能够快速浏览信号特征。对于选择的信号，QuickMeas同时显示多个用户定义测量参数的结果。图2显示同时测量A/D转换器输入信号的频率、峰峰值电压和RMS值。如果用户想要测量的参数不在QuickMeas测量结果之列，则可以激活附加的自动测量功能，包括参数统计。高波形捕获率和处理速度对统计分析来说至关重要，因此，即使是复杂的测量也能快速处理。

　　除了基波和谐波，R&S RTE可以检测和分析信号频谱中其他的影响和干扰因素，如突发信号或间歇信号。为了实现弱信号检测和精细测量，示波器必须有低噪声的模拟前端，该前端要有宽动态范围和没有带宽限制的高输入灵敏度。R&S RTE提供的FFT功能使用户工作起来更加轻松：操作只需输入中心频率、频率带宽和分辨率带宽。

　　并行数据总线分析

　　集成化逻辑分析使得示波器能显示与模拟波形时间相关的数字信号。R&S RTE混合信号选件将示波器转换成具有16条数字通道且易于使用的MSO示波器。在本例中，A/D转换器输出有9路信号(对应8个数据位和时钟信号)。针对时钟信号的有效沿来确定总线的逻辑状态。用户根据实际总线拓扑结构配置并行总线，定义哪些数字通道是总线的一部分，以及定义二进制判决门限。R&S RTE示波器支持同时解码4路并行总线或串行总线。每个总线用屏幕边缘上的信号栏图标表示。无论其他设置如何，该图标显示所有激活逻辑通道目前的状态(高、低、切换)，给用户一个总线活动的快速概览。这也包括未在图中显示的通道。当然，解码的总线可以用总线数据格式显示。如图3所示，在分析A/D转换器输出时，用模拟波形显示解码更为合适。例如，这样能够直接比较转换器的输入信号和输出信号，以及测量两个信号间的时间偏移。输出信号中出现的任何畸变将一目了然。

　　在模拟总线显示中频繁出现的尖峰(参阅图3)清晰指出模块设计存在问题。之所以能够观察到这些窄的尖峰是因为每条数字通道有5 Gsample/s的高采样率，它等价于200ps的时间分辨率。在R&S RTE中，这个采样率可在整个100 Msample存储深度范围使用。因此即使是在可以检测到该触发点很长时间后出现的尖峰也可看到。合乎逻辑的假设是这样的尖峰是由建立时间和保持时间违规的定时问题引起的。建立时间决定在下一个时钟沿到来前数据信号必须存在多长时间，保持时间指出在时钟沿生效后数据信号必须保持不变多长时间。为了测试我们的假设是否正确，我们所要做的就是在示波器中，相对数据信号来水平偏移时钟信号。R&S RTE示波器能够相对所有其他通道，单独偏移任何数字通道(参阅图4)。如在图5中看到的，在本例中，仅2ns的偏移即足以消除模拟总线图像中的尖峰。基于这一认识，用户可以审查设计，并对信号路径长度做出任何必要的改动。

　　测试串行通信

　　A/D转换器输出由SPI接口控制。这里，开发人员必须验证传输过程工作正常，编程接口和模块运行之间的时序相互关系是否符合规范。

　　除了传输的用户数据以外，串行总线信号还包括嵌入在帧内的控制和地址信息。因此，对包含串行数据总线的系统进行调试需要额外软件支持。如果示波器能够对串行协议内容进行触发并显示解码消息，那么隔离特定协议事件将变得很容易。因此，示波器必须支持触发和解码广泛使用的串行接口协议，如I²C、UART/RS-232、CAN和SPI。

　　图6显示启动A/D转换器的SPI指令序列。除了被解码总线的协议细节以外，还可看到各个数字线的二进制状态(时钟、片选信号、数据)。这个清晰的图像可以很容易确定消息内容是否正确。如果需要，也可以用表格格式列出协议解码信息。

　　当测试SPI通信时，用户可以尽量减小A/D转换器输入信号和输出并行数据总线的显示，以便充分利用整个屏幕。然而，这些信号清晰的概览仍然保留在屏幕边缘上最小化的缩小视图中(参阅图6)。

　　调试过程中另一个重要环节是确定SPI指令结束时刻和A/D转换器输出信号开始时刻之间的响应时间。光标功能可以轻松测量时间差。在R&S RTE上，用户只需拖住A/D转换器输出信号最小化图标回到屏幕即可显示。可以在同一窗口或分开在两个窗口中显示SPI序列和并行总线，如图7所示。接着，应减小示波器的时基，直到可以执行有意义的测量。图8显示在能够充分定位光标的窗口中的测量结果。

　　总结

　　混合信号示波器是开发和调试新电子电路最重要的测试仪器之一。无论对于分析信号完整性的硬件开发人员，还是对于分析信号内容的软件开发人员，它们都是重要工具。罗德与施瓦茨公司的R&S RTE示波器支持时域、逻辑、协议和频率分析。此外，集成在有源探头顶部的高精密直流电压表(测量误差±0.1%)可方便回答诸如“电源电压正确吗 ”和“叠加了直流电压吗 ”这类问题。因此，嵌入式设计的不同组件，以及它们的相互作用，可以仅用一台测试仪器分析。为用户带来的好处包括：简单的测试设置，直观的用户界面，以及模拟波形、数字信号和协议细节同步可视化。