混合信號示波器加速復雜系統(tǒng)測試
混合信號示波器，簡稱MSO（Mixed-signaloscilloscopes）。混合信號示波器這個稱呼沿襲了原HP（今Agilent）在1996年推出54645D時的說法，當時混合信號mcu正在興起，HP正是看好這個機會才推出了混合示波器，當時HP的宣傳是，首先它是一臺示波器，其次還能添加邏輯分析功能。
在許多復雜的測試方案中，示波器并不能為其提供足夠的通道數(shù)量。工程師要么在實驗室中多找?guī)着_示波器，要么使用邏輯分析儀。但不管是哪種情況，復雜性都會明顯提高。例如數(shù)字設(shè)計中經(jīng)常遇到的建立保持違規(guī)問題。傳統(tǒng)電路中的時鐘速度較低，對信號建立保持性能的余量較大。但隨著系統(tǒng)主頻的不斷增加，PCB設(shè)計的日益復雜，建立保持違規(guī)問題越來越常見。檢測該問題需要設(shè)定一個通道為時鐘信號，另一個通道為數(shù)據(jù)信號，并設(shè)定相應的時間范圍。但需要同時測量多路信號的建立保持問題時，傳統(tǒng)的示波器顯然無法滿足，需要帶有數(shù)字邏輯通道的示波器才能完成此類工作。混合信號示波器(MSO)同時提供了模擬通道和數(shù)字通道，為應對這類測量挑戰(zhàn)提供了理想的解決方案。
另一方面，傳統(tǒng)的示波器一般只有4個通道，在調(diào)試電路時會出現(xiàn)很多瓶頸。例如，即使調(diào)試簡單的8位單片機電路，也無法時間相關(guān)地同時觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出和多路IO信號，如果分時測試，則對偶發(fā)故障毫無辦法；出現(xiàn)故障時，要了解故障是否是在單片機或內(nèi)存芯片特定時候產(chǎn)生的，因為沒有足夠的通道連到被測系統(tǒng)的控制信號上，無法知道故障產(chǎn)生時控制信號處于何種狀態(tài)；而在使用了FPGA的電路中，不僅測試管腳多，而且其內(nèi)部節(jié)點更多，要驗證其內(nèi)部節(jié)點的狀態(tài)，僅使用廠家提供的內(nèi)部邏輯分析儀或JTAG調(diào)試工具是不夠的，因為那樣無法看到信號時序信息或信號完整性問題。
除了通道數(shù)不夠，示波器本底噪聲過大，ADC分辨率和動態(tài)范圍不夠；高帶寬示波器往往只兼顧高速信號的測試；沒有和示波器相匹配的多通道邏輯時序測試探頭，沒有專用的頻譜分析儀選件以及協(xié)議分析選件等都是傳統(tǒng)示波器面臨的問題。
泰克公司(Tektronix)大中華區(qū)分銷業(yè)務(wù)高級技術(shù)營銷經(jīng)理鄧錦輝談到，對于嵌入式系統(tǒng)測試，示波器提供的功能可分成幾個階段：第一個階段是怎么保證信號從被測系統(tǒng)傳輸?shù)綔y試儀器，這涉及探頭問題。第二個階段是信號進來后怎樣從所輸入的信號中發(fā)現(xiàn)問題，即發(fā)現(xiàn)問題。第三個階段是發(fā)現(xiàn)問題后怎樣抓住定位這個問題。第四個階段是獲取大量數(shù)據(jù)后怎樣快速找到問題所在位置和時刻，當前時刻究竟發(fā)生了什么問題，即搜索功能。后是聯(lián)測跟分析功能。
當前示波器市場競爭非常厲害，“泰克的競爭優(yōu)勢之一是，在終端示波器市場以及整個示波器市場，探頭是做得好的。”如果信號進來就已經(jīng)失真了或者被干擾了，那么更好的分析功能也沒用，因此泰克花費了很多功夫來實現(xiàn)探頭的突破。據(jù)鄧錦輝介紹，許多競爭對手甚至做了一些適配器來配合泰克的探頭，因為他們的探頭無法做到泰克這么全面和準確。例如，過去對于無源探頭而言，電阻、電容電路無法做到很高頻寬，而泰克通過DSB的方法校正前端放大器的頻閃，將探頭的頻閃從500M提高到了1G。泰克針對不同通道數(shù)量和記錄長度的更靈活的配置需求推出了六種帶寬為1GHz的新型號MSO/DPO4000B示波器。其中包括記錄長度為20M的雙通道機型，以及5M記錄長度的雙通道和四通道“精簡”版機型。新產(chǎn)品在觸發(fā)、搜索和分析等重要方面毫無性能犧牲，同時還包括1GHz無源探頭。
怎樣讓調(diào)試更快速一直是終端示波器需要面對的一個難點，尤其怎么發(fā)現(xiàn)問題，抓住問題以及搜索這些問題的所在點。“泰克提供了很多不同的手段，允許客戶自定義很多不同的觸發(fā)條件以及搜索的條件，鎖定其所關(guān)注的事情或故障的位置，我們提供的各種條件目前是多、全的。”鄧錦輝還表示，與高端頻譜儀的定位不同，混合域示波器(MDO)的頻譜儀定位在調(diào)測目的，其中有模擬信號、數(shù)字信號、射頻信號等來跟蹤信號的互相聯(lián)系。“MDO提供的價值在于它是一個系統(tǒng)的調(diào)測工具，可以同時測試16個數(shù)字通道，4個模擬通道和1個射頻通道，測試這21個通道之間在時間上的關(guān)系。”
目前共享時基和觸發(fā)的混合信號示波器多支持16個邏輯通道，邏輯分析儀的功能相對簡單。可以預見的是，未來的混合信號示波器將具有更高的數(shù)字采樣率和波形捕獲率，更強大的總線分析能力，模擬、數(shù)字甚至包括射頻信號的相互觸發(fā)和分析能力。安捷倫科技的杜吉偉認為：未來的三到五年內(nèi)，混合信號示波器仍會以示波器功能為主，邏輯分析儀功能為輔，。混合信號示波器會出現(xiàn)在更高帶寬的示波器中，目前MSO9000A高帶寬是4GHz，不久的將來會出現(xiàn)20GHz、25GHz、33GHz帶寬的混合信號示波器。混合信號示波器的邏輯通道的定時采樣速率會不斷提升，目前示波器的采樣率已經(jīng)達到160GSa/s(如安捷倫63GHz帶寬實時示波器)，邏輯通道的定時速率有機會達到或突破20GSa/s。邏輯通道的功能會增強，包括類似邏輯分析儀的圖形顯示，在圖形顯示基礎(chǔ)上再進行其它數(shù)學處理如FFT等
按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類
①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。
②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對直流、低頻、高頻、超高頻信號和脈沖信號進行定量測試。借助幅度校準器和時間校準器，測量的準確度可達±5%。
③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形，沒有時差，時序關(guān)系準確。
④多蹤示波器。具有電子開關(guān)和門控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形。但存在時差，時序關(guān)系不準確。
⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號進行顯示，有效頻帶可達GHz級。
⑥記憶示波器。采用存儲示波管或數(shù)字存儲技術(shù)，將單次電信號瞬變過程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號長時間保留在示波管的熒光屏上或存儲在電路中，以供重復測試。
⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上即可顯示波形，又可顯示字符。被測信號經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲器，通過鍵盤操作，可對捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運算，并顯示出答案數(shù)字。
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