許多基于微控制器的系統(tǒng)都有模擬和數(shù)字信號(hào)。即使看起來是完全數(shù)字的系統(tǒng)也不完全是數(shù)字的，因?yàn)榇嬖谡疋徍痛當(dāng)_等模擬效應(yīng)。因此，對(duì)系統(tǒng)中的信號(hào)通常需要同時(shí)持有模擬和數(shù)字的視角。這正是混合信號(hào)示波器(MSO)可以幫助到你的地方。
混合信號(hào)示波器同時(shí)具有示波器的功能和邏輯分析儀的部分功能。最常見的混合信號(hào)示波器配置有4個(gè)模擬通道和16個(gè)數(shù)字通道，它們最適合用于嵌入式微處理器板的查錯(cuò)。
圖1所示的處理器板框圖包含諸如電源、時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出等模擬信號(hào)，也有并行和串行的數(shù)字信號(hào)。并行數(shù)字信號(hào)包括CPU和GPIO接口的數(shù)字和地址線。以太網(wǎng)、SATA、PCIe、SPI、I2C 和UART等接口則是高速和低速串行數(shù)據(jù)信號(hào)。混合信號(hào)示波器可以讓你在模擬或數(shù)字域中同時(shí)觀察這些信號(hào)。兩個(gè)域中的顯示都是時(shí)間上同步的，有助于發(fā)現(xiàn)問題。通過從模擬、數(shù)字或兩者結(jié)合的觸發(fā)還有助于診斷。這些采集資源還有一整套測(cè)量與分析工具進(jìn)行補(bǔ)充。不管是哪個(gè)域中的數(shù)據(jù)，這些工具都可以處理。另外， 可以方便地使用搜索功能定位串行或并行數(shù)字化數(shù)據(jù)圖案。
數(shù)字示波器中的模擬波形是將采集到的信號(hào)表示為一系列采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)是以示波器的采樣速率獲取的，并用示波器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)位數(shù)設(shè)定的幅度分辨率進(jìn)行了數(shù)字化?，F(xiàn)代高頻示波器具有8位(256個(gè)等級(jí))到12位(4096個(gè)等級(jí))的ADC分辨率。
混合信號(hào)示波器中的數(shù)字軌跡代表一個(gè)比特，是以數(shù)字采樣率采樣的。幅度基本上從0到1變化，依據(jù)的是比預(yù)設(shè)的邏輯閾值(許多混合信號(hào)示波器為多種系列邏輯器件提供預(yù)設(shè)的邏輯電平)高還是低，它們代表了數(shù)字輸入的狀態(tài)。圖2顯示了模擬軌跡(底部)和數(shù)字軌跡(頂部)的比較。
模擬軌跡可以顯示隨時(shí)間發(fā)生的電壓微小變化。你可以看到諸如脈沖上沖和振鈴等現(xiàn)象。在C1描述塊中可見的光標(biāo)幅度讀取功能可以讀到低至mV的幅度。(在數(shù)字1描述塊中的)數(shù)字軌跡光標(biāo)讀取功能則報(bào)告0和1的幅度。記住，數(shù)字軌跡只顯示數(shù)字線的狀態(tài)，只有0和1兩個(gè)值。
當(dāng)顯示多根數(shù)字線時(shí)，你通常可以選擇用一根線單獨(dú)觀察、捆綁成總線觀察或兩種觀察同時(shí)進(jìn)行，如圖3所示。在圖3中，8根數(shù)字線(D0到D7)以總線形式被同 時(shí)顯示在畫面上(底部軌跡)，它用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)方式顯示了所有數(shù)字線的總值。注意，D7是最高位(MSB)，D0是最低位(LSB)。
數(shù)字設(shè)計(jì)的查錯(cuò)
下面的例子展示了可以用混合信號(hào)示波器實(shí)現(xiàn)的一些基本診斷方法。第一個(gè)案例中研究的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器， 以時(shí)鐘上升沿觸發(fā)。數(shù)字線D0連接到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端(D)。D1顯示的是時(shí)鐘，D2顯示的是Q輸出。與此同時(shí)，模擬通道C1、C3和C4分別連接到相 同的點(diǎn)。這些波形顯示在圖4的左側(cè)。Q輸出(D2)的周期和寬度用參數(shù)P1和P2進(jìn)行測(cè)量。示波器的時(shí)基被設(shè)為采集大約5000個(gè)時(shí)鐘脈沖。
參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，周期的平均值為208ns，最大值是416ns，這意味著輸出沒有保持期望的周期。蹤跡F1是周期測(cè)量的軌跡，顯示在數(shù)字顯示器下方的左上側(cè) 柵格中。這個(gè)軌跡顯示了作為與源軌跡在時(shí)間上同步的函數(shù)的D2周期。光標(biāo)標(biāo)識(shí)了蹤跡指示、并且周期值增加的點(diǎn)。所有軌跡都經(jīng)過縮放處于最大Q輸出周期的位 置，縮放后的軌跡顯示在顯示器的右側(cè)。
代表錯(cuò)誤時(shí)鐘觸發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)的長(zhǎng)周期顯示在右上柵格中的數(shù)字軌跡中。軌跡Z4中也顯示 了模擬軌跡C4的縮放結(jié)果。參數(shù)P3測(cè)量的是數(shù)據(jù)C1和時(shí)鐘C3之間的建立時(shí)間。統(tǒng)計(jì)結(jié)果再次表明，最小建立時(shí)間要比標(biāo)稱值短20%。F2中的建立時(shí)間蹤 跡顯示，這個(gè)縮短的建立時(shí)間是與擴(kuò)展周期同步發(fā)生的。
混合信號(hào)示波器可以讓你觀察多達(dá)16 條數(shù)字軌跡，數(shù)量要比模擬通道多。在圖6中，8條數(shù)字軌跡記錄了兩個(gè)級(jí)聯(lián)的8位移位寄存器的工作過程，這些移位寄存器是偽隨機(jī)二元序列發(fā)生器的核心電路。 首先需要注意，軌跡標(biāo)簽是定制過的，用于反應(yīng)電路中的功能。我們能夠看到時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)輸入以及來自移位寄存器的A和B部分的Q6、Q7和Q8輸出。我們可以看作是從左到右經(jīng)過從串行輸入軌跡開始的所有16級(jí)電路傳播的“長(zhǎng)－短”圖案(從頂部數(shù)第二個(gè))。
參數(shù)P1使用選通延時(shí) 參數(shù)測(cè)量串行輸入軌跡上從觸發(fā)器開始到圖案末端下降沿的時(shí)間。對(duì)Q6-A軌跡上的那個(gè)邊沿做類似的測(cè)量。將參數(shù)公式用于P3計(jì)算這兩個(gè)邊沿之間的時(shí)間差， 結(jié)果是515.3 μs。參數(shù)P4測(cè)量時(shí)鐘周期。P5中的參數(shù)公式用于將時(shí)鐘周期乘以6，以驗(yàn)證從串行輸入到Q6-A的期望延時(shí)，如果是515.3 μs就是正確的操作。輸出Q7-A和Q8-A表明增加了一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。通過類似的方式還可以驗(yàn)證所有16級(jí)電路的正確傳播延時(shí)。
混合信號(hào)示波器可以向用戶提供比傳統(tǒng)數(shù)字示波器更多的功能。用戶可以同時(shí)觀察多達(dá)16根數(shù)字信號(hào)線，并且可以與多達(dá)4個(gè)模擬波形保持同步。數(shù)字軌跡可以用光標(biāo)或所選的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)數(shù)字線還可以應(yīng)用分析功能和解碼操作。
從功能角度看，混合信號(hào)示波器中的數(shù)字狀態(tài)分析功能的建立比邏輯分析儀簡(jiǎn)單，不要求額外的平臺(tái)空間。在同一臺(tái)儀器中的模擬通道可以在遇到問題時(shí)用于詳細(xì)的物理層分析。
