使用 MSO 驗證信號質量時典型的調試方法

今天基于微控制器（MCU）和數字信號處理器（DSP）的嵌入式設計一般都會同時帶 有模擬信號和數字信號成分。傳統上，設計師是用示波器和邏輯分析儀進行測試和調 試；而現在，新一類測量工具――混合信號示波器（MSO）――已經能夠提供更好的 方法來調試這些 MCU 基和 DSP 基混合信號嵌入式設計。雖然混合信號示波器MSO在市場上出現已將近 20 年，但大多數工程師卻從未接觸過這種儀器，許 多工程師對它們的好處和使用方式存在著誤解。許多示波器廠商都推出了融有模擬和 數字時間相關測量能力的混合型時域儀器，但您一定要清楚這些儀器的差別，確切了 解它們能做什么和不能做什么。 本文首先從混合信號示波器的定義開始，簡要介紹了 MSO 所適應的主要應用領域； 討論在典型的基于 MCU/DSP 設計中，為有效檢測各種模擬和數字 I/O 信號所需要的 通道數、帶寬和采樣率；還探討了為有效測試和調試嵌入式設計，您所要求于 MSO 的各種混合信號觸發類型；所選用的混合信號嵌入式設計實例是基于 16bit 寬指令集 微控制器（Microchip PIC18）。本文還講述了使用 MSO 驗證信號質量時典型的調試 方法。

什么是混合信號示波器（MSO）？

MSO 是一種混合式測試儀器，它將數字存儲示波器（DSO）的所有測量能力（包括自動定標， 觸發釋抑，模擬和數字通道的無限余輝以及探頭 / 通道偏移校正）與邏輯分析儀的部分測 量能力集成到單臺儀器中。有了 MSO，您就能在同一個顯示器上看到如圖 1 所示在時間 上對準的模擬和數字波形。雖然 MSO 可能缺少全效邏輯分析儀的許多先進數字測量能力 和龐大的數據采集通道數，但對于今天的許多嵌入式設計調試應用，MSO 仍有一些超過 傳統上同時使用示波器和邏輯分析儀的獨特優點。

混合信號示波器MSO的主要優點之一是它的使用方式，其操作方法在許多方面與示波器相同。設計和測 試工程師往往會盡量避免使用邏輯分析儀――即使是在需要高效調試復雜設計時――因為 掌握邏輯分析儀的使用方法要花費大量時間。就算工程師了解邏輯分析儀的使用方法，對 特定測量所必須的設置也比設置示波器麻煩得多。此外，邏輯分析儀的先進測量能力也增 加了復雜程度，通常會給今天的許多基于 MCU 和 DSP 設計帶來約束。

示波器是研發環境中最常用的測試儀器。所有嵌入式硬件設計師都有用示波器對混合信號 嵌入式設計進行信號質量和定時測量的基本操作知識。但對于監視和測試多個模擬和數字 信號間的重要定時互動，2 通道或 4 通道示波器測量一般是不夠用的。而這正是混合信號示波器MSO的用武之地。

由于 MSO 提供“正好夠用”的邏輯分析儀測量能力，而且操作難度沒有明顯增加，因此 正是調試嵌入式設計的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式屬示波器類型。事實上， 您可簡單地把 MSO 看成是一種多通道示波器，其中的模擬通道提供高垂直分辨率（通常 為 8bit）；附加的邏輯 / 數字通道則提供低分辨率（1bit）測量。與松散型的雙機方案不同， 高度集成的 MSO 屬混合信號測量解決方案。它更便于用戶的使用，提供快速的波形更新率， 其操作更像是一臺示波器 ― 而不像邏輯分析儀。

波形更新率是所有示波器的一項重要特性，它直接影響儀器的使用。速度慢和反應遲鈍都 會影響正常使用，這對于 DSO 和 MSO 也是同樣道理。因此當示波器廠商把邏輯采集通道 置入 DSO 構成 MSO 時，絕不能犧牲波形更新率；否則，傳統示波器的使用方式將會受到 影響?；旌闲盘枩y量方案如果基于雙機配置，或者采用 USB 之類的外部通信總線來連接 邏輯接口就會反應遲鈍和難以使用。而基于高度集成硬件架構的 MSO 則有遠為敏捷的響 應，用起來也容易得多。

如欲深入了解示波器波形更新速率的重要性，請下載本文結尾部分列出的是德科技應用指 南《示波器波形更新速率決定偶發事件捕獲能力》。

在購買 MSO 之前的評估過程中，您首先要對各廠家印刷手冊和在線資料（技術概覽）中 描述的工作特性和測量性能做個比較。這對于評估儀器的可使用性和響應能力具有一定的 參考價值；但唯一最有效的方法還是要親自上手，進行實際檢驗。

典型混合信號示波器MSO測量應用和要求的性能

雖然 MSO 是用于捕獲混合信號器件上 ― 如模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC） ― 模擬和數字信號的重要工具，但它們的主要測量應用還包括驗證和調試帶有嵌入地址 和數據總線的 MCU/DSP 基混合信號設計。圖 2 是具有微控制器內核的典型混合信號嵌入 式設計的框圖。

盡管人們一般認為微控制器和 DSP 是數字控制和處理器件，但今天絕大多數 MCU 和 DSP 實際上是包含有嵌入模擬電路的混合信號器件。因此，需要檢測和驗證系統中的這些 信號，例如模擬 I/O、數字并行 I/O 端口，以及 I2 C 和 SPI 這類數字串行通信總線。

注意，圖 2 中的框圖沒有示出任何地址或數據總線信號。這是因為：大多數 MCU 和 DSP 具有包括嵌入存儲器（RAM 和 ROM）的內部總線結構。

由于今天的混合信號示波器MSO一般有 16 個數字采集通道，因此一些工程師錯誤地認為 MSO 只能受限 于 8bit 的處理應用（8bit 數據＋ 8bit 地址 = 8 至 16 個通道）。但 MSO 主要用于檢測模 擬和數字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 設計中能夠得到的所有信號。不要嘗試把 MSO 中的數字采集通道數與基于內部總線的 MCU 或 DSP 中的處理比特數相關聯，因為它們 通常沒有關聯關系。為檢測和驗證 8bit、16bit，有時甚至是 32bit 的 MCU/DSP 設計，16 個數字采集通道及 2 個到 4 個模擬采集和觸發通道一般是富富有余的。

檢測基于外部總線設計（例如基于 32 bit 微處理器計算機）中的并行地址和數據線并非 MSO 的主要測量應用。

如果需要捕獲多個地址和數據總線信號，以驗證基于外部總線系統中的定時和源碼碼流， 那么具有狀態分析和反匯編能力的邏輯分析儀是更好的測量工具。但假若您同時還需要模 擬信號和或數字信號的模擬特性具有時相關性，那么多家廠商的雙機解決方案（示波器＋ 邏輯分析儀）就要把示波器波形送入到具有時相關顯示的邏輯分析儀中。在您獲得這種更 高性能雙機測試解決方案的同時，也不得不接受邏輯分析儀更為復雜的操作方式，包括慢 或單次的波形更新率。

但即使是在帶有外部存儲器器件的 32bit 系統中，具有 16 個邏輯定時通道及 2 個或 4 個 模擬通道的 MSO 對于測量關鍵定時參數通常也是足夠的。圖 3 是使用 MSO 在一個 32bit 系統中（IBM PowerPC 405 GP）驗證高速存儲器器件（SDRAM）建立時間的例子。使用 MSO 的碼型觸發能力，只需 4 個 MSO 數字通道就能完成對特定讀寫指令（CS、RAS、 CAS 和 WE）的測量。再用示波器的模擬通道進一步限定在一個高速時鐘信號沿上觸發， 并在對應特定數據信號（中間的綠色跡線）的 100 MHz 時鐘信號上（上面的黃色跡線） 做關鍵的定時測量，從而得到對該外部存儲器器件的測量，測得建立時間為 8 ns。用常規 2 通道或 4 通道 DSO 進行這樣的測量是不可能的，而使用與高速示波器相鏈接的邏輯分 析儀進行這種測量則極為費時。

對于混合信號嵌入式設計中的這類信號完整性測量，MSO 的模擬和數字采集性能要遠比 通道數重要。示波器模擬采集性能的最基本指標是帶寬和采樣率。為進行具有合理精度的 模擬測量，示波器帶寬至少應該是所關注信號最高頻率成分的五倍。例如，若需要用示波 器模擬通道檢測最大轉換時鐘頻率為 200 MHz 的數字信號，為能以合理精度捕獲到第 5 次諧波，示波器的模擬帶寬應達到 1 GHz。對于實時單次測量，示波器的采樣率應是示波 器帶寬的 4 倍，或更快。要了解有關示波器帶寬和采樣率關系的更多情況，請下載閱讀是 德科技應用指南“針對您的應用選擇適當帶寬的示波器”和“評估示波器采樣率與采樣保 真度的關系：如何獲得最精確的數字測量結果”（將在本文結尾部分列出）。

可惜有些示波器和邏輯分析儀的使用者并未充分認識到 MSO 和邏輯分析儀需要具有怎樣 的數字采集性能?；旌闲盘柺静ㄆ鱉SO具有與示波器模擬采集性能相當的數字采集性能是非常重要的。 但這并不意味著它就是高性能示波器和低性能邏輯定時分析儀的簡單組合。是德科技推薦 MSO 的數字 / 邏輯采集系統的采樣率至少應達到示波器模擬采集通道帶寬的兩倍。在上 面我們剛剛討論的例子中，需要用 1 GHz 示波器捕獲轉換 / 時鐘率為 200 MHz 數字信號 的模擬特性，而以合理的定時精度在 MSO 的數字 / 邏輯通道上捕獲同樣信號，則要求數 字 / 邏輯通道達到 2 GSa/s 的采樣率。

當您使用邏輯 / 數字采集通道時，測量分辨率被限制為 ±1 個采樣周期。例如，如果您打 算用 200 MHz（周期 = 5ns）的最大跳轉 / 時鐘率捕獲數字信號，每個高或低脈沖可能會 窄到 2.5 ns（假定為 50% 占空比）。這意味著如果您的 MSO 數字采集系統用 2 GSa/s 的 最大速率采樣，那么在任一脈沖沿上的定時測量會達到 ±500 ps 的誤差，這對于時間差 測量來說就是最壞條件下的 1 ns 峰峰誤差，即 2.5 ns 脈沖上的 40% 誤差。我們相信無論 是對于 MSO 還是邏輯分析儀，超過 40% 的定時誤差都是無法接受的，這正是我們推薦數 字采集通道采樣率必須至少為示波器帶寬兩倍的原因。

除帶寬和采樣率外，要考慮的另一重要因素是探測帶寬；包括模擬和數字系統探測的帶寬。 如果您要捕獲有超過 500 MHz 重要頻率分量的模擬或數字信號，就要在模擬通道上使用 有源探頭。同樣，數字采集系統的探頭也必須能夠為數字系統的采樣電路提供更高頻率的 信號，從而能可靠地捕獲到更高頻率脈沖序列中的每一個脈沖。

混合信號觸發

對于模擬和數字 I/O 信號的特定互動，MSO 的更多采集通道（與 DSO 相比）意味著您現在有了更具針對性的更多觸發可能。雖 然 MSO 尚不具備高性能邏輯分析儀的各種復雜觸發能力，但也 已遠遠超過標準 2 通道或 4 通道示波器的有限觸發能力。

今天市場上的多數 MSO 和混合信號測量解決方案能至少在一種 電平的并行碼型觸發條件上觸發，有些 MSO 更能提供具有復位 條件的兩種電平碼型序列觸發。但即使您使用相對簡單的單電平 碼型觸發，也會發現各種 MSO 混合信號測量解決方案在觸發能 力上存有巨大差異。首先非常重要的一點是，MSO 要能在模擬 和數字輸入的組合上觸發。對于有些混合信號測量解決方案，由 于其模擬通道和邏輯通道間的信號偏移，它們只能在采集系統的 一邊（模擬邊或數字邊）實施較為可靠的觸發。也就是說您只 能在傳統的模擬觸發條件上，或僅在并行數字條件上觸發示波 器――而不能同時在兩種條件上觸發。MSO 應能提供混合信號 觸發能力，并且在觸發的模擬通道和數字通道確保精確的時間校 準。我們在本文后面還將給出需要在混合信號條件下進行觸發的 另一個例子。在該例中，要求在特定輸出相位上對 MCU 控制的 DAC 同步示波器的模擬和數字采集。

對于碼型觸發的 MSO 混合信號測量解決方案來說，還有一項重 要的考慮因素，就是看它是否帶有任何類型的時間限定。除送入， 與 / 或退出觸發限定外，碼型觸發條件還應包括最小時間限定條 件。為說明這一點，一種簡單的方法就是：先在不穩定的跳變狀態下進行觸發；然后再來演示示波器可以用怎樣的工具避免這 種不穩定。圖 4 是使用Keysight 6000 X 系列 MSO執行碼型 CE （1100 1110）觸發的例子。屏幕上方清楚地顯示了信號的整體 情況，從中可以看到：總線上 DE 和 E4 之間的 CE 和 EE 是很不 穩定的跳變狀態。這應該就是用戶最不希望出現的觸發情況了。 此時，用戶可以使用示波器的時間限定菜單（Qualifier）為觸發 設定時間閾值。即：讓觸發狀態必須保持比規定的時間更長或更 短；或者保持在規定的時間范圍內，或在規定的時間范圍外。

為避免在跳變的不穩定的條件下觸發，具備最小時間限定能力是 很重要的。當并行數字信號改變狀態時，切換過程可能為幾乎同 時 ― 但并非嚴格的同時。除了信號在非高非低時的有限上升和 下降速度外，即使是在經過最好設計的系統中，信號間也會有微 小的延遲。這意味著您的系統在信號切換時，始終存在跳變的 / 不穩定的信號條件。如有可能，您當然希望 DSO/MSO 或邏輯 分析儀能避免在這些不穩定條件下觸發。

示波器（包括 MSO）有能力精確地在模擬觸發電平 / 閾值渡越 點觸發，而邏輯分析儀通常使用基于樣本的觸發?；跇颖镜挠| 發將產生 ±1 個取樣周期的峰峰觸發抖動不確定度（最壞條件 下峰峰不確定度 = 2 個取樣周期）。我們通過“基于樣本的觸發” 首先讓儀器對輸入信號隨機取樣，然后根據取樣數據建立觸發參 考點。這種類型的觸發會產生明顯的觸發抖動，這對于某些典型 邏輯分析儀可能是允許的，但對用于觀察重復信號的常規示波器 或 MSO 測量則都是不可接受的。

在這一混合信號測量實例中，各示波器都設置為在 MCU 數字輸 出端口的特定 8bit 碼型條件與數字輸入通道 D4（A4）上升沿同 步時觸發。為測量 D4（A4）信號的信號完整性，把示波器的一 個模擬通道設置為對這一同樣的數字信號作“雙倍檢測”。如您 在圖 5 中所見，示波器依據取樣數據的數字觸發產生了近似為 4ns 的峰峰觸發抖動；這是因為其最大數字 / 邏輯通道采樣率只 有 500 MSa/s（不確定度為 ±1 個取樣周期）。注意：在使用示 波器的無限余輝顯示模式時，重復模擬跡線（中間的綠色跡線） 中有個 4 ns 的峰峰“拖影”。

使用Keysight 混合信號示波器MSO執行與上例相同的重復觸發測量，它 采用實時模擬比較器硬件技術產生觸發事件，而非基于樣本的觸 發。在把示波器設置為 5 ns/div 時，我們就能用該示波器的無限 余輝顯示模式觀察非常穩定的模擬跡線，即使觸發僅僅跨示波器 的數字和邏輯通道輸入。在使用示波器的一個模擬輸入通道時， 就能對重復輸入信號進行更為精確的信號完整性測量。

在為您的混合信號嵌入式應用評估各種 MSO 混合信號測量解決 方案時，最后要考慮的一件事情是示波器是否能在串行 I/O，例 如 I2 C 和 SPI 的特定地址和數據傳輸上觸發。串行 I/O 已在今天 的嵌入式設計中被普遍采用。我們在本文的下一部分將給出一個 例子，它要求根據混合信號嵌入式設計中的串行輸入命令，把串 行觸發與示波器對特定模擬輸出“chirp”信號的采集相同步。

啟用和調試真實混合信號嵌入式設計

讓 我 們 現 在 來 看 看 由 美 國 加 利 福 尼 亞 州 奇 哥 市（Chico） Solutions Cubed 公司所設計的一種混合信號嵌入式產品的啟用 和調試過程。圖 7 是該產品的框圖。

該混合信號嵌入式產品的核心是 Microchip PIC18F452-/PT 微控 制器，它使用內部的 16bit 指令集工作。由于這種特殊的 MCU 有內部總線結構和一個包括嵌入的模數轉換器（ADC），因此該 混合信號器件及相應的外圍電路就成為用 MSO 設計和調試嵌入 式混合信號設計的極好例子。

這項設計的最終目標是依據各種模擬、數字和串行 I/O 輸入條件， 產生各種長度、形狀和幅度的模擬“chirp”輸出信號（“chirp” 是包括特定周期數的 RF 脈沖模擬輸出信號，在航天國防和汽車 應用中常遇到“chirp”信號）。MCU 同時檢測如下三種輸入， 以確定輸出 chirp 信號的特性：
1. 用 MCU 上的一個并行數字 I/O 端口檢測用戶系統控制面板 的狀態，從而確定所產生輸出 chirp 信號的形狀（正弦波、 三角波、方波）。
2. 通過 MCU 上的一個 ADC 輸入檢測加速度模擬輸入傳感器 的輸出電平，從而確定所產生輸出 chirp 信號的幅度。
3. 使用 MCU 上的專用 I2 C 串行 I/O 端口檢測串行 I2 C 通信鏈 路的狀態，從而確定輸出 chirp 中產生的脈沖數。這一 I2 C 通信輸入信號從該嵌入式設計中另一智能子系統部件產生。

根據模擬、數字和串行這三個輸入狀態，MCU 向外部 8bit DAC 連續輸出并行信號，以生成各種幅度、形狀和長度的模擬 chirp 信號。DAC 的未濾波階梯波輸出饋送至模擬低通濾波器，用以 平滑信號和降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號引入預先 確定的相移量。最后，MCU 通過另一可用數字 I/O 端口產生并 行數字輸出，以驅動提供系統狀態信息的 LCD 顯示。

在這項設計中，設計 / 編程 MCU 的第一步是，為 MCU 的 I/O 配置適當數量的模擬和數字 I/O 端口。嵌入式系統設計師要通盤 考慮 MicroChip 這種特殊微控制器中與數字 I/O 端口相配的模擬 I/O 數，以及與模擬 I/O 端口相配的數字 I/O 數。

在嘗試編碼 MCU，以檢測各種輸入和產生規定的最終輸出信號 前，研制組決定首先開發該嵌入式設計某一部分 / 某項功能的測 試代碼，在增加交互式的復雜性之前先驗證它的正確工作和信 號完整性。所啟用和調試的第一部分電路 / 第一項功能是外部的 DAC 輸出和輸入，以及模擬濾波器。為驗證該電路和內部固件 的正確工作，我們最初把 MCU 編碼為產生固定幅度的連續和重 復的正弦波，而不考慮輸入控制 / 狀態信號條件。

Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕圖像，它捕獲 至外部 DAC（MCU 數字 I/O 端口輸出）的連續數字輸入，以及 DAC 的階梯波輸出和經模擬濾波的輸出。由于這些特定信號是 電平相對低的輸出信號，僅使用 8bit DAC（最大 256 電平）的 16 個電平，我們能容易地在示波器顯示上觀察該轉換器的階梯 波輸出特性（綠色跡線）。

把這一特定采集設置為當 DAC 輸出到達其最高輸出電平（屏幕 中央）時觸發。傳統示波器在這一特定點觸發是不可能的，因為 示波器觸發需要沿的跳變。為在輸出信號的這一點相位處觸發， 我們依據與外部 DAC 最高輸出模擬電平相一致的數字輸入信號， 建立簡單的單電平碼型觸發條件。為在波形的這一精確點觸發， 設計師送入并行二進制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時 間限定”碼型觸發，示波器始終在規定碼型的開始處觸發，而絕 不會在不穩定的跳變的條件處觸發。

MSO 把觸發精確設置在 DAC 50% 輸出電平點的觸發 條件，除了模擬觸發條件外，還使用在并行數字輸入信號上的碼 型觸發。如前所述，并非所有 MSO 混合信號測量解決方案都允 許在模擬和數字條件上組合的混合信號觸發。但由于在相同電平 （50% 上升電平和 50% 下降電平）上存在兩個模擬輸出條件， 要與上升或下降點的觸發保持一致性，所需要的將不僅僅是在 8bit 輸入碼型上的碼型觸發。通過另外限定在模擬通道 1上的“低 （0）”電平（頂端的黃色跡線），示波器就能使用模擬和數字 碼型觸發的組合，在所需要的相位上觸發。注意，模擬信號在高 于模擬觸發電平時被看作“高（1）”，在低于觸發電平時被看 作“低（0）”。

在啟用和驗證了外部 DAC 和模擬濾波電路的正確工作后，該設 計啟用過程的下一步是根據串行 I2 C 輸入產生規定的非重復正弦 波脈沖（chirp）數。圖 10 示出使用標準的示波器邊沿觸發，所 得到的不同長度 chirp 的重疊（無限余輝）。而傳統示波器的沿 觸發是不可能限定在規定長度 chirp 上觸發的。

使用 I2 C 觸發能力，Keysight MSO 示波器就能在特定串行輸入條 件下同步它的采集，并指示 MCU 產生規定長度（脈沖數）的輸 出 chirp。

示波器使用在規定串行地址和數據內容上的 I2 C 觸 發，在 3 周期 chirp 上觸發的能力。數據通道 D14 和 D15 分別 定義為 I2 C 時鐘和數據輸入觸發信號。實際上我們能把 16 個數 字通道及 2 個或 4 個示波器通道中的任何通道定義為對這樣 2 個輸入信號的串行觸發。在監測串行輸入和模擬輸出信號的同時， D0-D7 設置為在“總線”疊加顯示中檢測外部 DAC 輸入（MCU 輸出）信號。

示出了時間相關 I2 C 串行解碼基線；而該圖上半 部分也用表格形式顯示了串行解碼。 雖然圖中沒有示出，但可以把示波器的其他模擬通道設置為同時 檢測和采集來自加速度傳感器的模擬輸入信號，以確定輸出信號 的幅度。此外，未使用的 MSO 數字通道也可用于檢測和或進一 步限定數控面板輸入和 / 或 LCD 輸出驅動器信號上的觸發。

總結

混合信號示波器（MSO）是用于調試和驗證今天許多 基于 MCU 和 DSP 混合信號設計正 常工作的新工具。MSO 在一臺一體化的儀器上提供模擬和數字波形的時間相關顯示，以 及所有模擬和數字通道的強大混合信號觸發能力，因此能讓設計師使用他們熟悉的、基于 示波器用戶界面和使用方式的工具，更快地調試混合信號嵌入式設計。 今天市場上有著各式各樣的 MSO 和綜合性的混合信號測量工具，在做出購買決定前，一 定要仔細評估這些儀器的測量能力和可使用性。

您應特別關注混合信號示波器MSO如下七項特性：

1. MSO 的工作方式要像熟悉的示波器――而不是像邏輯分析儀。
2. MSO 應當具備示波器的全部測量能力，同時不會犧牲其他特性，例如自動定標，觸 發釋抑，無限余輝（適合模擬和數字通道）以及探頭 / 通道偏移校正等。
3. MSO 要像示波器那樣提供快的波形更新率，而不能像邏輯分析儀那樣提供慢的更新率。
4. MSO 數字 / 邏輯通道采集系統的性能（采樣率和探測帶寬）要與示波器的模擬采集 系統性能相適配。
5. MSO 要能在模擬和數字通道上同時觸發（混合信號觸發），具有精確的時間校準功能。
6. MSO 要能根據最小限定時間在碼型上觸發，從而避免在不穩定的跳變的切換條件上 觸發。
7. MSO 要能提供基于實時模擬比較器技術的模擬和數字觸發――而非會在重復波形上 產生顯著觸發抖動的基于波形樣本的觸發。
責任編輯：彭菁