混合信号测试解决方案

简介

当前电子产品的复杂性正随着数字电路和串行总线越来越多而提高，确定最优测试设备的边界正变得模糊。工程师正在处理“混合信号”设计，其中包含模拟技术和数字技术的重要组合。

设计人员日益希望可以在一台仪器中实现模拟域和数字域时间相关的设备。传统上，混合信号分析使用独立式示波器和逻辑分析仪完成，这种解决方案需要两台设备，因此并不实用，很难获得最佳效果。模拟波形和数字波形相关的需求导致了混合信号示波器的研制。

示波器、混合信号示波器和逻辑分析仪之间有许多类似之处和差别。为了更好地了解这些仪器怎样满足各自的应用需求，我们有必要更详细地考察一下其各自的功能。

数字示波器

数字示波器是世界各地电子工程师使用的首选工具。设计人员对其操作方式满怀信心，并信任其测量结果。示波器的高采样速率和带宽使其能够捕获感兴趣信号的高分辨率视图。示波器为显示和测量各类电信号的模拟特点提供了理想的解决方案。示波器一般有两条或四条输入通道，可以对少量的模拟信号、数字信号和串行信号实现时间相关。

图1  使用泰克TDS3000B系列示波器调试模拟信号

数字示波器应用

数字示波器应用广泛，包括：测量信号幅度和时序参数；测量信号边沿和电压，评估时序余量；测量电流；检测瞬态问题，如毛刺、欠幅脉冲、亚稳定跳变信号；检定信号完整性。

图2  泰克DPO4000系列示波器调试串行信号

逻辑分析仪

逻辑分析仪为检验和调试复杂的数字电路提供了理想的工具。逻辑分析仪和示波器之间最明显的差异是通道数量。逻辑分析仪的通道数量在34条到几百条、甚至几千条之间，而典型示波器只有2～4条通道。

一个更本质的差别是逻辑分析仪采集信号的方式不同于示波器。示波器一般使用8位模数转换器(ADC)对信号采样，在示波器显示屏上真实地复现信号及其所有细微的模拟特点。逻辑分析仪则只是把输入信号与用户自定义门限进行比较。如果信号大于门限，那么把它视为逻辑1；如果信号低于门限，那么把它视为逻辑0。由于采集方法具有本质差别，因此同一个脉冲会以不同的方式显示，如图3所示。

示波器和逻辑分析仪之间的另一个差别是触发。示波器提供了以分离异常模拟特点(毛刺、欠幅脉冲、转换速率等)为重点的基本触发模式以及基本数字条件，如建立时间/保持时间违规或在两条或四条输入通道上定义的一个逻辑码型。逻辑分析仪则提供了广泛的逻辑资源，如各种字比较器、计数器和定时器，用户可以定义复杂的多状态IF-THEN-ELSE型触发，在复杂的系统环境中分离问题。逻辑分析仪还拥有全面的一系列微处理器支持套件。这些套件一般会提供硬件单元和软件单元。硬件与前端的微处理器总线建立物理连接，软件则把采集反汇编成可读的软件执行。

逻辑分析仪的另一个优势是它能够在一台仪器上监测与时间相关多条系统总线。例如，设计人员可能想追踪前端总线的软件执行情况，同时读写存储器。逻辑分析仪的扩展能力使其成为要求广泛的查看能力、高级触发和软件分析的复杂应用的理想选择。

图3  逻辑分析议和示波器上的波形显示画面

逻辑分析仪应用

逻辑分析仪应用的应用包括：广泛的多通道检验数字系统操作；需要高级多状态触发，分离问题；追踪软件执行；系统时序验证；系统余量测试；高速存储器应用。

带有示波器模块的逻辑分析仪

为提供真正的混合信号解决方案，业内率先进行的尝试是为逻辑分析仪创建数字示波器模块。这些模块直接插入逻辑分析仪中，提供示波器功能。示波器的采集与逻辑分析仪显示屏上的数字通道实现时间相关。

但是，这些示波器模块有自己的局限性。由于它们是逻辑分析仪的一部分，因此其主要是单次采集设备，而不同于实时操作的独立式示波器。它们的成本很高，缺少独立式示波器的性能，没有提供熟悉的示波器用户界面。最后，由于它们集成到逻辑分析仪中，因此不适合示波器完成日常调试任务的一般用途。

图4  泰克TLA逻辑分析议上连接的源代码

带有示波器模块的逻辑分析仪应用

应用领域包括：模拟和数字混合设计；模数转换器、数模转换器；测量数字信号质量；模拟事件和数字事件时间相关；系统开机特点。

逻辑分析仪与台式示波器一起使用

几乎在每个工程设计实验室中都能找到示波器，它们特别适合要求以高分辨率查看信号模拟特点的应用。在要求广泛观测系统总线活动的应用中，示波器通常未能提供足够的通道数量，在这种情况下通常会使用逻辑分析仪。

在需要同时采集多条数字通道、获得高分辨率模拟信号时，工程师该怎么做呢？当前复杂问题的混合信号特点通常要求