什么是混合信号示波器?如何帮助您进行测试呢

今天基于微控制器（MCU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）的嵌入式设计一般都会同时包含模拟信号和数字信号成分。设计工程师以往使用示波器和逻辑分析仪来测试和调试这些混合信号嵌入式设计。而现在，一类新型测量工具 — 混合信号示波器（MSO）— 能让您更好地调试这些基于 MCU、FPGA 和 DSP 的设计。

那么什么是混合信号示波器，它有什么使用要求以及它如何帮助您进行测试呢？

在谈到混合信号示波器 MSO 时，有几个关键的技术指标必须要注意：通道数、带宽和采样率。想要有效监测基于 MCU/FPGA/DSP 的典型设计中的各种模拟和数字 I/O 信号，满足这些要求是关键所在。您还会了解到想要有效测试和调试嵌入式设计，应在混合信号示波器 MSO 中关注的各种混合信号触发类型。

什么是混合信号示波器(MSO）？

混合信号示波器 MSO 是一种混合式测试仪器，它将数字存储示波器（DSO）的全部测量功能（包括自动定标、触发释抑、模拟和数字通道的无限余辉以及探头/通道偏移校正）与逻辑分析仪的部分测量功能整合在一台仪器中。使用 MSO，您将能够在同一显示屏幕上看到多个时间对齐的模拟和数字波形，如图 1 中的各示波器所示。尽管 MSO 可能缺少很多先进的数字测量功能以及完整逻辑分析仪所具有的众多数字采集通道，但对于当今的嵌入式设计调试应用而言，MSO 的一些独特优势是传统示波器和逻辑分析仪所没有的。

混合信号示波器 MSO 的主要优点之一是它的使用方式，其操作方法在许多方面与示波器相同。设计和测试工程师往往不愿意使用逻辑分析仪 — 即使是需要高效调试复杂设计 — 因为学习或复习逻辑分析仪的使用方法要花费大量时间。就算工程师熟悉了逻辑分析仪的使用方法，在进行特定测量时的设置步骤也比设置示波器麻烦得多。此外，逻辑分析仪的先进测量功能对于当今许多基于 MCU、FPGA 和 DSP 的设计来说往往也过于复杂。

示波器是研发环境中最常用的测试仪器。所有嵌入式硬件设计师都应基本了解如何使用示波器来测量混合信号嵌入式设计的信号质量和计时特性。但要想监测多个模拟和数字信号间的重要计时互动，2 通道或 4 通道示波器测量一般是不够用的。而这正是 MSO 的优势。

由于混合信号示波器 MSO 提供“正好足够”的逻辑分析仪测量能力，而操作复杂性没有明显增加，因此是在嵌入式设计中进行调试的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式与 DSO 一样。事实上，您可简单地把 MSO 看成是一种多通道示波器，其中的模拟通道提供高垂直分辨率 （通常为 8 位），而增加的逻辑/数字通道则提供低分辨率（1 位）测量。高度综合的 MSO 混合信号测量解决方案相比于 DSO 使用更简单，波形更新速率更快，其操作方式更像是示波器而不像逻辑分析仪。

波形更新速率是所有示波器的一项重要指标。速度慢和反应迟钝都会影响示波器的正常使用，无论是 DSO 还是 MSO 都不例外。因此当示波器厂商把逻辑采集通道加入 DSO 构成 MSO 时，绝不能牺牲波形更新速率。否则，传统示波器的使用方式将会受到影响。混合信号测量解决方案如果采用双机配置，或者采用 USB 之类的外部通信总线来连接逻辑接口，就有可能反应迟钝和难以使用。而 MSO 采用高度整合的硬件体系结构，不仅响应更加敏捷，用起来也容易得多。

如欲详细了解波形更新速率的重要性，请下载是德科技应用指南《示波器波形更新速率决定捕获偶发事件的概率》（在本文结尾处列出）。

在购买混合信号示波器 MSO 之前的评估过程中，您首先要对各厂家的印刷手册和在线文献（技术资料）中描述的工作特性和测量性能做个比较。这对于评测仪器的适用性和响应能力具有一定的参考价值；但唯一真正有效的方法还是要亲自上手，进行实际检验。

典型的混合信号示波器 MSO 测量应用和要求的性能

虽然混合信号示波器 MSO 非常适合用于捕获混合信号器件（如模数转换器 ADC 和数模转换器 DAC）上的模拟和数字信号，但它们的测量应用还包括验证和调试基于 MCU/FPGA/DSP 且包含嵌入式地址和数据总线的混合信号设计。图 2 是具有微控制器内核的典型混合信号嵌入式设计的结构图。

图 2. 基于混合信号示波器 MSO的典型嵌入式设计

尽管人们一般将微控制器和 DSP 视为简单的数字控制和处理器件，但当今绝大多数 MCU、 FPGA 和 DSP 实际上是包含了嵌入式模拟电路的混合信号器件。因此，需要监测和验证系统中的模拟 I/O、数字并行 I/O 端口，以及 I2C 和 SPI 等数字串行通信总线上的信号。

注意，图 2 中的结构图没有给出任何地址或数据总线信号。这是因为大多数 MCU 和 DSP 的内部总线结构还包括嵌入式存储器（RAM 和 ROM）。

由于现在的混合信号示波器 MSO一般有 16 个数字采集通道，因此一些工程师错误地认为 MSO 只能用于 8 位处理应用（8 位数据 ＋ 8 位地址 = 16 位）。但 MSO 主要用于监测模拟和数字 I/O，即通常能在基于 MCU 和 DSP 的设计中得到的所有信号。不要尝试把 MSO 中的数字采集通道数与基于内部总线的 MCU 或 DSP 中的处理位数相关联，因为它们通常没有关联关系。要监测和验证基于 8 位、16 位甚至是 32 位 MCU/DSP 的设计，16 个数字采集通道及 2 到 4 个模拟采集和触发通道一般是富富有余的。

不过监测基于外部总线的设计（例如采用 32 位微处理器的计算机）中的并行地址和数据线并非混合信号示波器 MSO的主要测量应用。

如果您需要捕获多个地址和数据总线的信号，以验证基于外部总线的系统中的计时和原码流，那么具有状态分析和反汇编能力的逻辑分析仪可能是更好的测量工具。但假若您还需要同时在时间上关联模拟信号和/或数字信号的模拟特征，那么多家厂商的双机解决方案（示波器＋逻辑分析仪）就要把示波器波形导入到具有时间相关显示屏幕的逻辑分析仪中。但是在您采用这种更高性能的双机测试解决方案时，也不得不接受逻辑分析仪更为复杂的操作方式，包括缓慢或单次的波形更新速率。

但即使是在配有外部存储器件的 32 位系统中，具有 16 个逻辑时间通道和 2 到 4 个模拟通道的 混合信号示波器 MSO 对于测量关键时间参数通常也足够用了。图 3 是使用 MSO 验证 32 位系统（IBM PowerPC 405GP）中的高速存储器件（SDRAM）建立时间的例子。使用 MSO 的码型触发功能，只需 4 个 MSO 数字通道就能完成对特定读写指令（CS、RAS、CAS、WE）的测量。再用示波器的模拟通道进一步限定在高速时钟信号的一个边沿上触发，并在特定数据信号 （中间的绿色迹线）相关的 100 MHz 时钟信号（上面的黄色迹线）上进行关键的计时测量，得到该外部存储器件的建立时间为 8 ns。使用常规的 2 通道或 4 通道 DSO 无法进行这样的测量，而使用与高速示波器相连的逻辑分析仪进行这种测量则极为费时。

ΔX = 8.00 ns
1/ΔX = 125.00 MHZ
DY(1) = 0.0 V
图 3. 在 32 位系统中使用混合信号示波器 MSO 进行关键的建立时间测量

对于混合信号嵌入式设计中的这类信号完整性测量来说，MSO 的模拟和数字采集性能通常要远比通道数更重要。示波器模拟采集性能的最基本技术指标是带宽和采样率。为进行较为精确的模拟测量，示波器带宽至少应该是系统最高时钟速率的五倍。例如，如果需要用示波器的模拟通道监测最大触发/时钟频率为 200 MHz 的数字信号，那么为了能以适合的精度捕获到 5 次谐波，示波器的模拟带宽应达到 1 GHz。对于实时/单次测量，示波器的采样率应是示波器带宽的 4 倍或更快。如欲详细了解带宽与采样率之间的关系，请下载是德科技应用指南《采样率须知大全》和应用指南《评测您的应用所需的示波器带宽》。

可惜有些示波器和逻辑分析仪的用户并未充分认识到 混合信号示波器 MSO和逻辑分析仪需要具备怎样的数 字采集性能。MSO 的数字采集性能与示波器的模拟采集性能应当相称，这一点非常重要。 但这并不意味着它就是高性能示波器和低性能逻辑计时分析仪的简单组合。是德科技推荐 MSO 的数字/逻辑采集系统的采样率至少应达到示波器模拟采集通道带宽的两倍。在上面我们刚刚讨论的例子中，需要用 1 GHz 示波器捕获触发/时钟速率为 200 MHz 的数字信号的模拟特征，而要以适合的计时精度在 MSO 的数字/逻辑通道上捕获同一个信号，数字/逻辑通道必须达到 2 GSa/s 的采样率。

当您使用逻辑/数字采集通道时，测量分辨率被限制在 ±1 个采样周期。例如，如果您打算捕获 200 MHz（周期 = 5 ns）最大触发/时钟速率的数字信号，每个高或低脉冲最窄可能为 2.5 ns （假定 50% 占空比）。这意味着如果您的 MSO 数字采集系统用 2 GSa/s 的最大速率采样，那么在任一脉冲沿上的计时测量误差可能会达到 ±500 ps，这对于时间差测量来说就是在最坏条件下达到 1 ns 峰峰值误差，即在 2.5 ns 脉冲上误差为 40%。我们相信无论是对于 MSO 还是逻辑分析仪，超过 40% 的计时误差都是无法接受的，正因如此我们推荐数字采集通道的采样率必须至少为示波器带宽的两倍。

除带宽和采样率外，要考虑的另一个重要因素是探头带宽；包括模拟和数字系统探测的带宽。如果您要捕获的模拟或数字信号含有超过 500 MHz 的重要频率内容，那么需要在模拟通道上使用有源探头。同样，数字采集系统的探头也必须能够为数字系统的采样电路提供更高频率的信号，从而可靠地捕获到更高频率脉冲序列中的每一个脉冲。

混合信号触发

混合信号示波器 MSO 的采集通道数量越多（与 DSO 相比），就意味着您现在能够实现更多种触发方式来专门采集模拟与数字 I/O 信号的特定交互。虽然 MSO 的触发功能不像高性能逻辑分析仪那么复杂，但也远远超过标准 2 通道或 4 通道示波器的有限触发功能。

当今市场上的大多数 混合信号示波器 MSO 和混合信号测量解决方案至少能够在单电平并行码型触发条件下触发，有些 MSO 甚至能提供包括复位条件的双电平码型序列触发。不过，即使您使用相对简单的单电平码型触发，也会发现各种 MSO/混合信号测量解决方案在触发功能上存有巨大差异。首先非常重要的一点是，MSO 能在模拟和数字输入的组合条件下触发。对 于有些松散的混合信号测量解决方案，由于其模拟通道和逻辑通道间的信号偏移极大，所以只能在采集系统的一侧或另一侧实施可靠的触发。也就是说，您只能在传统的模拟触发条件下，或仅在一种并行数字条件下触发示波器 — 而不能同时在两个条件下进行触发。MSO 应能提供混合信号触发功能，并且在触发的模拟通道和数字通道之间确保精确的时间对齐。我们在本文后面还将举例说明之所以需要在混合信号条件下进行触发，是因为这样可以使示波器在 MCU 控制的 DAC 特定输出相位上进行同步采集。

混合信号示波器 MSO 的另一个重要考虑因素是它的码型触发是否包括任何类型的时间限定。除进入和/或退出触发限定外，码型触发条件还应包括最小时间限制条件。为说明这一点，一种简单的方法就是先在不稳定的跳变状态下进行触发；然后再来演示示波器可以用怎样的工具避免这种不稳定。图 4 是使用 Keysight 6000 X 系列 MSO 执行码型 CE（1100 1110）触发的示例。从显示屏的上半部分（更好地显示出信号整体图像），我们可以看到该状态。

CE 和 EE 是总线上 DE 和 E4 之间的不稳定跳变状态。它很可能不是用户想要的触发条件。此时，用户可以使用示波器的时间限定菜单（Qualifier）为触发设定时间阈值，即让触发状态必须保持比规定时间更长或更短；或者保持在规定的时间范围之内或之外。

为避免在跳变/不稳定的条件下触发，最短时间限定是很重要的。当并行数字信号改变状态时，切换过程可能近乎同时 — 但并非严格的同时。除了信号在非高非低时的有限上升沿和下降沿速度外，即使是在最佳设计的系统中，信号间也会有微小的时延。这意味着您的 系统在信号切换时，始终存在跳变的/不稳定的信号条件。如有可能，您当然希望 DSO/MSO 或逻辑分析仪能避免在这些不稳定条件下触发。

示波器（包括 混合信号示波器 MSO）能够精确地在模拟触发电平/阈值跨越点触发，而逻辑分析仪通常使用基于样本的 触发。基于样本的触发将产生 ± 1 个采样周期的峰峰值触发抖动/不确定度（最坏条件下峰峰值不确定度 = 2 个采样周期）。我们通过“基于样本的触发”首先让仪器对输入信号随机采样，然后根据采样数据建立触发参考点。这种类型的触发会产生明显的触发抖动，这对于某些典型逻辑分析仪可能是允许的，但对用于观察重复信号的常规示波器或 MSO 测量则都是不可接受的。

图 4. 在没有最小时间限定的情况下，示波器在不稳定的跳变状态下触发。

图 5 是配有混合信号选件的示波器，它能根据采样数据生成触发事件。图 6 显示了一个 Keysight 混合信号示波器 MSO 的例子，它利用模拟硬件比较器在所有模拟和数字输入信号上进行触发。

图 5. 基于样本的码型触发产生了 4 ns 的触发抖动（使用配有 混合信号示波器 MSO 选件的 LeCroy WaveRunner）。

在这一混合信号测量实例中，各示波器都设置为在 MCU 数字输出端口的特定 8 位码型条件下进行触发。该条件与数字输入通道 D4（A4）的上升沿同步 。为测量 D4（A4）信号的信号完整性，我们把示波器的一个模拟通道设置为对同一个数字信号进行“双重探测”。 如您在图 5 中所见，以采样数据为基础进行数字触发的示波器产生了差不多 4 ns 的峰峰值触发抖动，这是因为它的最大数字/逻辑通道采样率只有 500 MSa/s（±1 个不确定度采样周期）。注意：在使用示波器的无限余辉显示模式时，重复模拟迹线（中间的绿色迹线）中有 4 ns 的峰峰值“拖影”。

图 6 所示为使用 Keysight 混合信号示波器 MSO 执行相同重复触发测量的结果，它在实时模拟比较器硬件技术的基础上生成触发事件，而不是基于样本触发。在把示波器设置为 5 ns/格时，我们就能用该示波器的无限余辉显示模式观察到非常稳定的模拟迹线，即使触发只是基于示波器的数字/逻辑通道输入而实现。我们现在就能够使用示波器的一个模拟输入通道对重复输入信号进行更精确的信号完整性测量。

图 6. Keysight MSO 中的实时比较器硬件码型触发产生了极低的触发抖动。

在为您的混合信号嵌入式应用评测各种 MSO/混合信号测量解决方案时，最后要考虑的一件事情是示波器是否能在串行 I/O（例如 I2C 和 SPI）的特定地址和数据传输上触发。串行 I/O 在如今的嵌入式设计中使用非常广泛。在本文的下一节中，我们会展示一个例子，其中需要进行串行触发，以便使示波器根据混合信号嵌入式设计中的串行输入命令，对特定模拟输出“线性调频”信号进行同步采集。

激活和调试真正的混合信号嵌入式设计

让我们现在来看看由美国加利福尼亚州奇哥市（Chico）Solutions Cubed 公司所设计的一种混合信号嵌入式产品的激活和调试过程。图 7 是该产品的结构图。

这个混合信号嵌入式产品的核心是 Microchip PIC18F452/PT 微控制器，它使用内部的 16 位指令集工作。由于这种特殊的 MCU 有内部总线结构并包括一个嵌入式模数转换器（ADC）， 因此该混合信号器件及相应的外围电路就成为使用 混合信号示波器 MSO 激活和调试嵌入式混合信号设计的极好例子。

这项设计的最终目标是依据各种模拟、数字和串行 I/O 输入条件，产生不同长度、形状和幅度的模拟“线性调频”输出信号。（“线性调频”是包括特定周期数的射频脉冲模拟输出信号，在航天与国防和汽车应用中经常遇到）。

图 7. 根据模拟、数字和串行 I/O 产生模拟“线性调频”输出的混合信号嵌入式设计

MCU 同时监测如下三种输入，以确定输出线性调频信号的特征：

1. 用 MCU 上的一个并行数字 I/O 端口监测系统控制面板的状态，从而确定输出所产生的线性调频信号的形状（正弦波、三角波、方波）。
2. 通过 MCU 上的一个 ADC 输入监测加速度模拟输入传感器的输出电平，从而确定输出所产生的线性调频信号的幅度。
3. 使用 MCU 上的专用 I2C 串行 I/O 端口监测串行 I2C 通信链路的状态，从而确定输出线性调频中产生的脉冲数。这一 I2C 通信输入信号由该嵌入式设计中的另一个智能子系统部件产生。

根据模拟、数字和串行输入这三个状态，MCU 经过编程后向外部 8 位 DAC 连续输出一串并行信号，以生成各种幅度、形状和长度的模拟线性调频信号。DAC 的未滤波阶梯波形输出馈送至模拟低通滤波器，以平滑信号和降低噪声。这一模拟滤波器也为该输出信号引入了预先确定大小的相移。最后，MCU 通过另一个可用的数字 I/O 端口产生并行数字输出，以驱动 LCD 显示屏为用户提供系统状态信息。

在这项设计中，设计/编程 MCU 的第一步是为 MCU 的 I/O 配置适当数量的模拟和数字 I/O 端口。嵌入式系统设计师要通盘考虑 MicroChip 这种特殊微控制器中模拟 I/O 数与数字 I/O 端口的权衡。

在尝试对 MCU 编程以监测各种输入和产生规定的最终输出信号之前，设计团队决定最好先开发激活该嵌入式设计某一部分/某项功能的测试代码，在增加交互式的复杂性之前先验证它工作正确性和信号完整性。激活和调试的第一部分电路/第一项功能是外部 DAC 输出和输入以及模拟滤波器。为验证该电路和内部固化软件在正确工作，我们最初把 MCU 编码为产生固定幅度的连续/重复正弦波，而不考虑输入信号条件。

图 8 为 Keysight InfiniiVision 系列 混合信号示波器 MSO 的屏幕快照，该 MSO 同时捕获外部 DAC（MCU 数字 I/O 端口的输出）的连续数字输入，以及 DAC 的阶梯输出以及经模拟滤波的输出。由于这个特殊信号是电平相对低的输出信号，仅使用 8 位 DAC（最多 256 个电平）的 16 个电平，我们可以很方便地在示波器显示屏幕上观察该转换器的阶梯波形输出特征（绿色迹线）。

把这一特定采集设置为当 DAC 输出到达其最高输出电平（屏幕中央）时触发。使用常规的示波器无法在这一特定点触发，因为示波器触发需要边沿跳变。为了在输出信号的这一点/相位处触发，我们首先依据与外部 DAC 最高输出模拟电平相一致的数字输入信号，建立简单的单电平码型触发条件。为恰好在波形的这一点上触发，设计师输入了并行二进制码型“1110 0110”。由于该 MSO 使用“时间限定”码型触发，示波器始终在规定码型的开始处触发，而绝不会在不稳定/跳变条件处触发。

图 8. Keysight InfiniiVision 系列 MSO 捕获由 MCU 控制的 DAC 的并行数字输入和模拟输出。

图 9. Keysight MSO 使用模拟和数字码型触发组合，在 50% 交叉点处触发

图 9 显示了除了模拟触发条件之外，MSO 的另一个触发条件。在对并行数字输入信号使用码型触发时，它可设置 MSO 在 DAC 的 50% 输出电平点精确触发。如前所述，并非所有 MSO/混合信号测量解决方案都允许在模拟和数字条件组合下进行混合信号触发。但由于在相同电平（50% 上升电平和 50% 下降电平）上存在两个模拟输出条件，要与上升或下降点的触发保持一致性，所需要的不仅仅是在 8 位输入码型上的码型触发。通过另外限定在模拟通道 1 的“0”电平（顶部黄色迹线）上触发，示波器就能使用模拟和数字码型触发的组合，在所需要的相位处触发。注意，模拟信号在高于模拟触发电平时被看作“1”，在低于触发电平时被看作“0”。

图 9 还显示了对滤波输出信号的自动参数测量，包括相对于未滤波 DAC 输出的幅度、 频率和相移。

在激活和验证了外部 DAC 和模拟滤波电路工作正常后，该设计/激活过程的下一步是进行编程，根据串行 I2C 输入产生特定数量的非重复正弦波脉冲（线性调频）。图 10 显示了使用标准的示波器边沿触发所得到的不同长度线性调频的重叠（无限余辉）。相比之下，传统示波器的边沿触发无法限定在规定长度的线性调频上进行触发。

图 10. 常规示波器的边沿触发不能同步在特定长度的 线性调频上进行触发。

使用 I2C 触发功能，Keysight MSO 示波器就能实现在特定串行输入条件下同步开始采集。这些条件指示 MCU 产生规定长度（脉冲数）的输出线性调频。

图 11 描述了示波器在 3 周期线性调频上进行触发以及在串行地址和数据内容上进行 I2C 触发的功能。数据通道 D14 和 D15 分别定义为 I2C 时钟和数据输入触发信号。实际上我们可以将 16 个数字通道或 2 到 4 个模拟示波器通道中的任意通道定义为在这两个输入信号上进行串行触发。在监测串行输入和模拟输出信号的同时，D0-D7 设置为在“总线” 叠加显示中监测外部 DAC 输入（MCU 输出）信号。

图 11. 使用 Keysight MSO 中的 I2C 触发和解码功能在 3 周期线性调频上进行触发。

图 12 的底部显示了时间关联的 I2C 串行解码迹线。您还能以更熟悉的表格形式（如显示屏上半部分所示）来查看串行解码。

图 12. I2C 信号能以时间关联形式或是表格解码形式显示（见本屏幕上半部分）。

虽然图中没有显示出来，但示波器的另一个模拟通道可以被设置为同时探测和采集来自加速度传感器的模拟输入信号，以确定输出信号的幅度。此外，您也可以使用空闲的 MSO 数字通道来监测和/或进一步限定在数字控制面板输入和/或 LCD 输出驱动器信号上进行触发。

总结

混合信号示波器（ MSO）非常适合用于调试和验证当今各种基于 MCU、FPGA 和 DSP 的混合信号设计是否正常工作。MSO 能够在一台综合仪器上同时显示时间关联的模拟和数字波 形，并可在全部模拟和数字通道上实现功能强大的混合信号触发，因此能让设计人员使用他们熟悉的、类似示波器用户界面和使用方式的工具更快地调试混合信号嵌入式设计。

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目前市场上 混合信号示波器 MSO 和综合型混合信号测量工具层出不穷，在决定购买之前，您一定要仔细评测这些仪器的测量功能和实用性。

您应特别关注如下七项特性：

1. MSO 的使用方式应类似于您所熟悉的示波器 — 而不是像逻辑分析仪。
2. MSO 应当具备示波器的全部测量功能，同时不会牺牲其他特性，例如自动定标、触发释抑、无限余辉（模拟和数字通道）以及探头/通道偏移校正等。
3. MSO 要像示波器那样提供快速的波形更新速率，而不能像逻辑分析仪那样更新速率较慢。
4. MSO 的数字/逻辑通道采集系统性能（采样率和探测带宽）要与示波器的模拟采集系统性能相适配。
5. MSO 要能跨模拟和数字通道进行触发（混合信号触发），并具有精确的时间对齐功能。
6. MSO 要能根据最小限定时间在码型上触发，避免在不稳定/跳变的数字切换条件下触发。
7. MSO 要能提供基于实时模拟比较器技术的模拟和数字触发 — 而非基于样本的触发（后者会在重复模拟波形上产生显著的触发抖动）。