混合信號示波器加速系統(tǒng)測試及展望

　　當(dāng)代電子電路設(shè)計中，特別是嵌入式電路設(shè)計，面臨很多新技術(shù)的挑戰(zhàn)，如：更多的總線應(yīng)用，更高速的時鐘和數(shù)字信號，集成度更高的PCB設(shè)計，很多設(shè)計中還融入了RF功能。面對這樣的設(shè)計工作，工程師需要相應(yīng)的測試手段和工具，來完成比以往更加復(fù)雜的測試任務(wù)。為了解系統(tǒng)的整體工作特性，工程師只有同時測量模擬、數(shù)字信號，甚至包括總線信號，才能了解系統(tǒng)故障的原因和掌握信號和指令的時序和邏輯關(guān)系。

　　在許多復(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)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?；旌闲盘柺静ㄆ鳎∕SO）同時提供了模擬通道和數(shù)字通道，為應(yīng)對這類測量挑戰(zhàn)提供了理想的解決方案。

　　羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz）中國區(qū)示波器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理焦保春指出，由于混合信號示波器具有更多的通道和整體觸發(fā)分析功能，因此可以很好地解決上述問題。首先混合信號示波器的通道數(shù)更多，可以同時測試多路模擬、數(shù)字和總線信號。其次，多路信號在總線上時時間相關(guān)的，且可以利用總線數(shù)據(jù)的特征作為觸發(fā)條件，捕獲數(shù)據(jù)指令產(chǎn)生前的系統(tǒng)狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)發(fā)出后的變化情況。由于具有多通道的特性，模擬加數(shù)字加總線信號，工程師可以做系統(tǒng)級的分析和調(diào)試。

　　羅德與施瓦茨公司的混合信號示波器擁有杰出的技術(shù)指標(biāo)和功能。其MSO的數(shù)字通道采樣率為5Gs/S，這意味可以發(fā)現(xiàn)更窄的毛刺，找出一些在其他示波器不能發(fā)現(xiàn)的高速數(shù)字異常。此外，200M的數(shù)字存儲長度也遠高于其他競爭產(chǎn)品。擁有更長的存儲可以使用戶在同樣的高采樣率下，捕獲更長時間的信號，發(fā)現(xiàn)故障更加容易。RTO混合信號示波器的創(chuàng)新還包括對數(shù)字通道也擁有200，000次/秒以上的波形捕獲率（模擬通道的波形捕獲率為1，000，000次/秒）。如果數(shù)字通道可以快速捕獲和顯示波形，用戶就可以輕松發(fā)現(xiàn)多達16條通道上偶然出現(xiàn)的故障，極大簡化了多通道系統(tǒng)排障工作。另一項獨特的功能是混合信號與RF信號的相關(guān)測試，RTO示波器擁有強大的頻域分析功能，能夠完成一些通常只有頻譜分析儀才能做到的頻譜分析和頻域測量工作。

　　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。力科公司（LeCroy）市場部經(jīng)理胡為東介紹說，力科示波器集高ADC位數(shù)（12位ADC）、高動態(tài)范圍、多達36通道的數(shù)字邏輯探頭、專用頻譜分析儀選件、協(xié)議分析儀選件于一身，通過LBUS接口實現(xiàn)多通道示波器，通過8HP鍺化硅技術(shù)實現(xiàn)36GHz的芯片；采用DBI數(shù)字帶寬復(fù)用專利技術(shù)、ChannelSync通道同步專利技術(shù)可實現(xiàn)高達65GHz和多達80個通道的精確同步；高帶寬示波器中還集成了高速信號測試接口和低速信號測試接口；集成的專用協(xié)議分析儀功能可實現(xiàn)各種低速總線、高速總線的協(xié)議層分析能力。

　　安捷倫科技（Agilent）示波器和數(shù)字電路測試亞太區(qū)市場開發(fā)經(jīng)理杜吉偉對此亦有認(rèn)同：混合信號示波器的優(yōu)勢在于具有更多的通道數(shù)，一般是在2或4個示波器通道的基礎(chǔ)上追加16個邏輯分析儀通道；支持混合信號觸發(fā)，可觀察模擬信號與多路數(shù)字信號之間的時序等。

　　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(dāng)前時刻究竟發(fā)生了什么問題，即搜索功能。最后是聯(lián)測跟分析功能。

　　當(dāng)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，探頭是做得最好的?！比绻盘栠M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(zhǔn)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?！疤┛颂峁┝撕芏嗖煌氖侄?，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最多、最全的?！编囧\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)的混合信號示波器最多支持16個邏輯通道，邏輯分析儀的功能相對簡單。可以預(yù)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(rèn)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，?；旌闲盘柺静ㄆ鲿霈F(xiàn)在更高帶寬的示波器中，目前MSO9000A最高帶寬是4GHz，不久的將來會出現(xiàn)20GHz、25GHz、33GHz帶寬的混合信號示波器?；旌闲盘柺静ㄆ鞯倪壿嬐ǖ赖亩〞r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)