混合信號(hào)示波器加速?gòu)?fù)雜系統(tǒng)測(cè)試
混合信號(hào)示波器，簡(jiǎn)稱MSO（Mixed-signaloscilloscopes）。混合信號(hào)示波器這個(gè)稱呼沿襲了原HP（今Agilent）在1996年推出54645D時(shí)的說(shuō)法，當(dāng)時(shí)混合信號(hào)mcu正在興起，HP正是看好這個(gè)機(jī)會(huì)才推出了混合示波器，當(dāng)時(shí)HP的宣傳是，首先它是一臺(tái)示波器，其次還能添加邏輯分析功能。
在許多復(fù)雜的測(cè)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(shí)驗(yàn)室中多找?guī)着_(tái)示波器，要么使用邏輯分析儀。但不管是哪種情況，復(fù)雜性都會(huì)明顯提高。例如數(shù)字設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的建立保持違規(guī)問(wèn)題。傳統(tǒng)電路中的時(shí)鐘速度較低，對(duì)信號(hào)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(jì)的日益復(fù)雜，建立保持違規(guī)問(wèn)題越來(lái)越常見(jiàn)。檢測(cè)該問(wèn)題需要設(shè)定一個(gè)通道為時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)通道為數(shù)據(jù)信號(hào)，并設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間范圍。但需要同時(shí)測(cè)量多路信號(hào)的建立保持問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)的示波器顯然無(wú)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(hào)示波器(MSO)同時(shí)提供了模擬通道和數(shù)字通道，為應(yīng)對(duì)這類測(cè)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(gè)通道，在調(diào)試電路時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多瓶頸。例如，即使調(diào)試簡(jiǎn)單的8位單片機(jī)電路，也無(wú)法時(shí)間相關(guān)地同時(shí)觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出和多路IO信號(hào)，如果分時(shí)測(cè)試，則對(duì)偶發(fā)故障毫無(wú)辦法；出現(xiàn)故障時(shí)，要了解故障是否是在單片機(jī)或內(nèi)存芯片特定時(shí)候產(chǎn)生的，因?yàn)闆](méi)有足夠的通道連到被測(cè)系統(tǒng)的控制信號(hào)上，無(wú)法知道故障產(chǎn)生時(shí)控制信號(hào)處于何種狀態(tài)；而在使用了FPGA的電路中，不僅測(cè)試管腳多，而且其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)更多，要驗(yàn)證其內(nèi)部節(jié)點(diǎn)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?yàn)槟菢訜o(wú)法看到信號(hào)時(shí)序信息或信號(hào)完整性問(wèn)題。
除了通道數(shù)不夠，示波器本底噪聲過(guò)大，ADC分辨率和動(dòng)態(tài)范圍不夠；高帶寬示波器往往只兼顧高速信號(hào)的測(cè)試；沒(méi)有和示波器相匹配的多通道邏輯時(shí)序測(cè)試探頭，沒(méi)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(wèn)題。
泰克公司(Tektronix)大中華區(qū)分銷業(yè)務(wù)高級(jí)技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理鄧錦輝談到，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)測(cè)試，示波器提供的功能可分成幾個(gè)階段：第一個(gè)階段是怎么保證信號(hào)從被測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)綔y(cè)試儀器，這涉及探頭問(wèn)題。第二個(gè)階段是信號(hào)進(jìn)來(lái)后怎樣從所輸入的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。第三個(gè)階段是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后怎樣抓住定位這個(gè)問(wèn)題。第四個(gè)階段是獲取大量數(shù)據(jù)后怎樣快速找到問(wèn)題所在位置和時(shí)刻，當(dāng)前時(shí)刻究竟發(fā)生了什么問(wèn)題，即搜索功能。后是聯(lián)測(cè)跟分析功能。
當(dāng)前示波器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常厲害，“泰克的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)之一是，在終端示波器市場(chǎng)以及整個(gè)示波器市場(chǎng)，探頭是做得好的。”如果信號(hào)進(jìn)來(lái)就已經(jīng)失真了或者被干擾了，那么更好的分析功能也沒(méi)用，因此泰克花費(fèi)了很多功夫來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭的突破。據(jù)鄧錦輝介紹，許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至做了一些適配器來(lái)配合泰克的探頭，因?yàn)樗麄兊奶筋^無(wú)法做到泰克這么全面和準(zhǔn)確。例如，過(guò)去對(duì)于無(wú)源探頭而言，電阻、電容電路無(wú)法做到很高頻寬，而泰克通過(guò)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(duì)不同通道數(shù)量和記錄長(zhǎng)度的更靈活的配置需求推出了六種帶寬為1GHz的新型號(hào)MSO/DPO4000B示波器。其中包括記錄長(zhǎng)度為20M的雙通道機(jī)型，以及5M記錄長(zhǎng)度的雙通道和四通道“精簡(jiǎn)”版機(jī)型。新產(chǎn)品在觸發(fā)、搜索和分析等重要方面毫無(wú)性能犧牲，同時(shí)還包括1GHz無(wú)源探頭。
怎樣讓調(diào)試更快速一直是終端示波器需要面對(duì)的一個(gè)難點(diǎn)，尤其怎么發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，抓住問(wèn)題以及搜索這些問(wèn)題的所在點(diǎn)。“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(cè)目的，其中有模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)等來(lái)跟蹤信號(hào)的互相聯(lián)系。“MDO提供的價(jià)值在于它是一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)測(cè)工具，可以同時(shí)測(cè)試16個(gè)數(shù)字通道，4個(gè)模擬通道和1個(gè)射頻通道，測(cè)試這21個(gè)通道之間在時(shí)間上的關(guān)系。”
目前共享時(shí)基和觸發(fā)的混合信號(hào)示波器多支持16個(gè)邏輯通道，邏輯分析儀的功能相對(duì)簡(jiǎn)單。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)的混合信號(hào)示波器將具有更高的數(shù)字采樣率和波形捕獲率，更強(qiáng)大的總線分析能力，模擬、數(shù)字甚至包括射頻信號(hào)的相互觸發(fā)和分析能力。安捷倫科技的杜吉偉認(rèn)為：未來(lái)的三到五年內(nèi)，混合信號(hào)示波器仍會(huì)以示波器功能為主，邏輯分析儀功能為輔，。混合信號(hào)示波器會(huì)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(lái)會(huì)出現(xiàn)20GHz、25GHz、33GHz帶寬的混合信號(hào)示波器。混合信號(hào)示波器的邏輯通道的定時(shí)采樣速率會(huì)不斷提升，目前示波器的采樣率已經(jīng)達(dá)到160GSa/s(如安捷倫63GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器)，邏輯通道的定時(shí)速率有機(jī)會(huì)達(dá)到或突破20GSa/s。邏輯通道的功能會(huì)增強(qiáng)，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(jìn)行其它數(shù)學(xué)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(jiǎn)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(duì)直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。
③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒(méi)有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。
④多蹤示波器。具有電子開(kāi)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(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。
⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。
⑥記憶示波器。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過(guò)程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測(cè)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(cè)信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)鍵盤操作，可對(duì)捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。
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