使用 MSO 验证信号质量时典型的调试方法

今天基于微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）的嵌入式设计一般都会同时带 有模拟信号和数字信号成分。传统上，设计师是用示波器和逻辑分析仪进行测试和调 试；而现在，新一类测量工具――混合信号示波器（MSO）――已经能够提供更好的 方法来调试这些 MCU 基和 DSP 基混合信号嵌入式设计。虽然混合信号示波器MSO在市场上出现已将近 20 年，但大多数工程师却从未接触过这种仪器，许 多工程师对它们的好处和使用方式存在着误解。许多示波器厂商都推出了融有模拟和 数字时间相关测量能力的混合型时域仪器，但您一定要清楚这些仪器的差别，确切了 解它们能做什么和不能做什么。 本文首先从混合信号示波器的定义开始，简要介绍了 MSO 所适应的主要应用领域； 讨论在典型的基于 MCU/DSP 设计中，为有效检测各种模拟和数字 I/O 信号所需要的 通道数、带宽和采样率；还探讨了为有效测试和调试嵌入式设计，您所要求于 MSO 的各种混合信号触发类型；所选用的混合信号嵌入式设计实例是基于 16bit 宽指令集 微控制器（Microchip PIC18）。本文还讲述了使用 MSO 验证信号质量时典型的调试 方法。

什么是混合信号示波器（MSO）？

MSO 是一种混合式测试仪器，它将数字存储示波器（DSO）的所有测量能力（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 量能力集成到单台仪器中。有了 MSO，您就能在同一个显示器上看到如图 1 所示在时间 上对准的模拟和数字波形。虽然 MSO 可能缺少全效逻辑分析仪的许多先进数字测量能力 和庞大的数据采集通道数，但对于今天的许多嵌入式设计调试应用，MSO 仍有一些超过 传统上同时使用示波器和逻辑分析仪的独特优点。

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 试工程师往往会尽量避免使用逻辑分析仪――即使是在需要高效调试复杂设计时――因为 掌握逻辑分析仪的使用方法要花费大量时间。就算工程师了解逻辑分析仪的使用方法，对 特定测量所必须的设置也比设置示波器麻烦得多。此外，逻辑分析仪的先进测量能力也增 加了复杂程度，通常会给今天的许多基于 MCU 和 DSP 设计带来约束。

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有用示波器对混合信号 嵌入式设计进行信号质量和定时测量的基本操作知识。但对于监视和测试多个模拟和数字 信号间的重要定时互动，2 通道或 4 通道示波器测量一般是不够用的。而这正是混合信号示波器MSO的用武之地。

由于 MSO 提供“正好够用”的逻辑分析仪测量能力，而且操作难度没有明显增加，因此 正是调试嵌入式设计的理想工具。如前所述，MSO 的使用方式属示波器类型。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 8bit）；附加的逻辑 / 数字通道则提供低分辨率（1bit）测量。与松散型的双机方案不同， 高度集成的 MSO 属混合信号测量解决方案。它更便于用户的使用，提供快速的波形更新率， 其操作更像是一台示波器 ― 而不像逻辑分析仪。

波形更新率是所有示波器的一项重要特性，它直接影响仪器的使用。速度慢和反应迟钝都 会影响正常使用，这对于 DSO 和 MSO 也是同样道理。因此当示波器厂商把逻辑采集通道 置入 DSO 构成 MSO 时，绝不能牺牲波形更新率；否则，传统示波器的使用方式将会受到 影响。混合信号测量方案如果基于双机配置，或者采用 USB 之类的外部通信总线来连接 逻辑接口就会反应迟钝和难以使用。而基于高度集成硬件架构的 MSO 则有远为敏捷的响 应，用起来也容易得多。

如欲深入了解示波器波形更新速率的重要性，请下载本文结尾部分列出的是德科技应用指 南《示波器波形更新速率决定偶发事件捕获能力》。

在购买 MSO 之前的评估过程中，您首先要对各厂家印刷手册和在线资料（技术概览）中 描述的工作特性和测量性能做个比较。这对于评估仪器的可使用性和响应能力具有一定的 参考价值；但唯一最有效的方法还是要亲自上手，进行实际检验。

典型混合信号示波器MSO测量应用和要求的性能

虽然 MSO 是用于捕获混合信号器件上 ― 如模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC） ― 模拟和数字信号的重要工具，但它们的主要测量应用还包括验证和调试带有嵌入地址 和数据总线的 MCU/DSP 基混合信号设计。图 2 是具有微控制器内核的典型混合信号嵌入 式设计的框图。

尽管人们一般认为微控制器和 DSP 是数字控制和处理器件，但今天绝大多数 MCU 和 DSP 实际上是包含有嵌入模拟电路的混合信号器件。因此，需要检测和验证系统中的这些 信号，例如模拟 I/O、数字并行 I/O 端口，以及 I2 C 和 SPI 这类数字串行通信总线。

注意，图 2 中的框图没有示出任何地址或数据总线信号。这是因为：大多数 MCU 和 DSP 具有包括嵌入存储器（RAM 和 ROM）的内部总线结构。

由于今天的混合信号示波器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 只能受限 于 8bit 的处理应用（8bit 数据＋ 8bit 地址 = 8 至 16 个通道）。但 MSO 主要用于检测模 拟和数字 I/O，即通常在基于 MCU 和 DSP 设计中能够得到的所有信号。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 中的处理比特数相关联，因为它们 通常没有关联关系。为检测和验证 8bit、16bit，有时甚至是 32bit 的 MCU/DSP 设计，16 个数字采集通道及 2 个到 4 个模拟采集和触发通道一般是富富有余的。

检测基于外部总线设计（例如基于 32 bit 微处理器计算机）中的并行地址和数据线并非 MSO 的主要测量应用。

如果需要捕获多个地址和数据总线信号，以验证基于外部总线系统中的定时和源码码流， 那么具有状态分析和反汇编能力的逻辑分析仪是更好的测量工具。但假若您同时还需要模 拟信号和或数字信号的模拟特性具有时相关性，那么多家厂商的双机解决方案（示波器＋ 逻辑分析仪）就要把示波器波形送入到具有时相关显示的逻辑分析仪中。在您获得这种更 高性能双机测试解决方案的同时，也不得不接受逻辑分析仪更为复杂的操作方式，包括慢 或单次的波形更新率。

但即使是在带有外部存储器器件的 32bit 系统中，具有 16 个逻辑定时通道及 2 个或 4 个 模拟通道的 MSO 对于测量关键定时参数通常也是足够的。图 3 是使用 MSO 在一个 32bit 系统中（IBM PowerPC 405 GP）验证高速存储器器件（SDRAM）建立时间的例子。使用 MSO 的码型触发能力，只需 4 个 MSO 数字通道就能完成对特定读写指令（CS、RAS、 CAS 和 WE）的测量。再用示波器的模拟通道进一步限定在一个高速时钟信号沿上触发， 并在对应特定数据信号（中间的绿色迹线）的 100 MHz 时钟信号上（上面的黄色迹线） 做关键的定时测量，从而得到对该外部存储器器件的测量，测得建立时间为 8 ns。用常规 2 通道或 4 通道 DSO 进行这样的测量是不可能的，而使用与高速示波器相链接的逻辑分 析仪进行这种测量则极为费时。

对于混合信号嵌入式设计中的这类信号完整性测量，MSO 的模拟和数字采集性能要远比 通道数重要。示波器模拟采集性能的最基本指标是带宽和采样率。为进行具有合理精度的 模拟测量，示波器带宽至少应该是所关注信号最高频率成分的五倍。例如，若需要用示波 器模拟通道检测最大转换时钟频率为 200 MHz 的数字信号，为能以合理精度捕获到第 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。要了解有关示波器带宽和采样率关系的更多情况，请下载阅读是 德科技应用指南“针对您的应用选择适当带宽的示波器”和“评估示波器采样率与采样保 真度的关系：如何获得最精确的数字测量结果”（将在本文结尾部分列出）。

可惜有些示波器和逻辑分析仪的使用者并未充分认识到 MSO 和逻辑分析仪需要具有怎样 的数字采集性能。混合信号示波器MSO具有与示波器模拟采集性能相当的数字采集性能是非常重要的。 但这并不意味着它就是高性能示波器和低性能逻辑定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 示波器捕获转换 / 时钟率为 200 MHz 数字信号 的模拟特性，而以合理的定时精度在 MSO 的数字 / 逻辑通道上捕获同样信号，则要求数 字 / 逻辑通道达到 2 GSa/s 的采样率。

当您使用逻辑 / 数字采集通道时，测量分辨率被限制为 ±1 个采样周期。例如，如果您打 算用 200 MHz（周期 = 5ns）的最大跳转 / 时钟率捕获数字信号，每个高或低脉冲可能会 窄到 2.5 ns（假定为 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定时测量会达到 ±500 ps 的误差，这对于时间差 测量来说就是最坏条件下的 1 ns 峰峰误差，即 2.5 ns 脉冲上的 40% 误差。我们相信无论 是对于 MSO 还是逻辑分析仪，超过 40% 的定时误差都是无法接受的，这正是我们推荐数 字采集通道采样率必须至少为示波器带宽两倍的原因。

除带宽和采样率外，要考虑的另一重要因素是探测带宽；包括模拟和数字系统探测的带宽。 如果您要捕获有超过 500 MHz 重要频率分量的模拟或数字信号，就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，从而能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

对于模拟和数字 I/O 信号的特定互动，MSO 的更多采集通道（与 DSO 相比）意味着您现在有了更具针对性的更多触发可能。虽 然 MSO 尚不具备高性能逻辑分析仪的各种复杂触发能力，但也 已远远超过标准 2 通道或 4 通道示波器的有限触发能力。

今天市场上的多数 MSO 和混合信号测量解决方案能至少在一种 电平的并行码型触发条件上触发，有些 MSO 更能提供具有复位 条件的两种电平码型序列触发。但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能 力上存有巨大差异。首先非常重要的一点是，MSO 要能在模拟 和数字输入的组合上触发。对于有些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，它们只能在采集系统的 一边（模拟边或数字边）实施较为可靠的触发。也就是说您只 能在传统的模拟触发条件上，或仅在并行数字条件上触发示波 器――而不能同时在两种条件上触发。MSO 应能提供混合信号 触发能力，并且在触发的模拟通道和数字通道确保精确的时间校 准。我们在本文后面还将给出需要在混合信号条件下进行触发的 另一个例子。在该例中，要求在特定输出相位上对 MCU 控制的 DAC 同步示波器的模拟和数字采集。

对于码型触发的 MSO 混合信号测量解决方案来说，还有一项重 要的考虑因素，就是看它是否带有任何类型的时间限定。除送入， 与 / 或退出触发限定外，码型触发条件还应包括最小时间限定条 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）触发的例子。屏幕上方清楚地显示了信号的整体 情况，从中可以看到：总线上 DE 和 E4 之间的 CE 和 EE 是很不 稳定的跳变状态。这应该就是用户最不希望出现的触发情况了。 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的时间更长或更 短；或者保持在规定的时间范围内，或在规定的时间范围外。

为避免在跳变的不稳定的条件下触发，具备最小时间限定能力是 很重要的。当并行数字信号改变状态时，切换过程可能为几乎同 时 ― 但并非严格的同时。除了信号在非高非低时的有限上升和 下降速度外，即使是在经过最好设计的系统中，信号间也会有微 小的延迟。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 MSO）有能力精确地在模拟触发电平 / 阈值渡越 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 个取样周期的峰峰触发抖动不确定度（最坏条件 下峰峰不确定度 = 2 个取样周期）。我们通过“基于样本的触发” 首先让仪器对输入信号随机取样，然后根据取样数据建立触发参 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。

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 8bit 码型条件与数字输入通道 D4（A4）上升沿同 步时触发。为测量 D4（A4）信号的信号完整性，把示波器的一 个模拟通道设置为对这一同样的数字信号作“双倍检测”。如您 在图 5 中所见，示波器依据取样数据的数字触发产生了近似为 4ns 的峰峰触发抖动；这是因为其最大数字 / 逻辑通道采样率只 有 500 MSa/s（不确定度为 ±1 个取样周期）。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） 中有个 4 ns 的峰峰“拖影”。

使用Keysight 混合信号示波器MSO执行与上例相同的重复触发测量，它 采用实时模拟比较器硬件技术产生触发事件，而非基于样本的触 发。在把示波器设置为 5 ns/div 时，我们就能用该示波器的无限 余辉显示模式观察非常稳定的模拟迹线，即使触发仅仅跨示波器 的数字和逻辑通道输入。在使用示波器的一个模拟输入通道时， 就能对重复输入信号进行更为精确的信号完整性测量。

在为您的混合信号嵌入式应用评估各种 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 I2 C 和 SPI 的特定地址和数据传输上触发。串行 I/O 已在今天 的嵌入式设计中被普遍采用。我们在本文的下一部分将给出一个 例子，它要求根据混合信号嵌入式设计中的串行输入命令，把串 行触发与示波器对特定模拟输出“chirp”信号的采集相同步。

启用和调试真实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启用 和调试过程。图 7 是该产品的框图。

该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 16bit 指令集工作。由于这种特殊的 MCU 有内部总线结构和一个包括嵌入的模数转换器（ADC），因此该 混合信号器件及相应的外围电路就成为用 MSO 设计和调试嵌入 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， 产生各种长度、形状和幅度的模拟“chirp”输出信号（“chirp” 是包括特定周期数的 RF 脉冲模拟输出信号，在航天国防和汽车 应用中常遇到“chirp”信号）。MCU 同时检测如下三种输入， 以确定输出 chirp 信号的特性：
1. 用 MCU 上的一个并行数字 I/O 端口检测用户系统控制面板 的状态，从而确定所产生输出 chirp 信号的形状（正弦波、 三角波、方波）。
2. 通过 MCU 上的一个 ADC 输入检测加速度模拟输入传感器 的输出电平，从而确定所产生输出 chirp 信号的幅度。
3. 使用 MCU 上的专用 I2 C 串行 I/O 端口检测串行 I2 C 通信链 路的状态，从而确定输出 chirp 中产生的脉冲数。这一 I2 C 通信输入信号从该嵌入式设计中另一智能子系统部件产生。

根据模拟、数字和串行这三个输入状态，MCU 向外部 8bit DAC 连续输出并行信号，以生成各种幅度、形状和长度的模拟 chirp 信号。DAC 的未滤波阶梯波输出馈送至模拟低通滤波器，用以 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预先 确定的相移量。最后，MCU 通过另一可用数字 I/O 端口产生并 行数字输出，以驱动提供系统状态信息的 LCD 显示。

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与数字 I/O 端口相配的模拟 I/O 数，以及与模拟 I/O 端口相配的数字 I/O 数。

在尝试编码 MCU，以检测各种输入和产生规定的最终输出信号 前，研制组决定首先开发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的正确工作和信 号完整性。所启用和调试的第一部分电路 / 第一项功能是外部的 DAC 输出和输入，以及模拟滤波器。为验证该电路和内部固件 的正确工作，我们最初把 MCU 编码为产生固定幅度的连续和重 复的正弦波，而不考虑输入控制 / 状态信号条件。

Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕图像，它捕获 至外部 DAC（MCU 数字 I/O 端口输出）的连续数字输入，以及 DAC 的阶梯波输出和经模拟滤波的输出。由于这些特定信号是 电平相对低的输出信号，仅使用 8bit DAC（最大 256 电平）的 16 个电平，我们能容易地在示波器显示上观察该转换器的阶梯 波输出特性（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。传统示波器在这一特定点触发是不可能的，因为 示波器触发需要沿的跳变。为在输出信号的这一点相位处触发， 我们依据与外部 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。为在波形的这一精确点触发， 设计师送入并行二进制码型“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 不会在不稳定的跳变的条件处触发。

MSO 把触发精确设置在 DAC 50% 输出电平点的触发 条件，除了模拟触发条件外，还使用在并行数字输入信号上的码 型触发。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上组合的混合信号触发。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，所需要的将不仅仅是在 8bit 输入码型上的码型触发。通过另外限定在模拟通道 1上的“低 （0）”电平（顶端的黄色迹线），示波器就能使用模拟和数字 码型触发的组合，在所需要的相位上触发。注意，模拟信号在高 于模拟触发电平时被看作“高（1）”，在低于触发电平时被看 作“低（0）”。

在启用和验证了外部 DAC 和模拟滤波电路的正确工作后，该设 计启用过程的下一步是根据串行 I2 C 输入产生规定的非重复正弦 波脉冲（chirp）数。图 10 示出使用标准的示波器边沿触发，所 得到的不同长度 chirp 的重叠（无限余辉）。而传统示波器的沿 触发是不可能限定在规定长度 chirp 上触发的。

使用 I2 C 触发能力，Keysight MSO 示波器就能在特定串行输入条 件下同步它的采集，并指示 MCU 产生规定长度（脉冲数）的输 出 chirp。

示波器使用在规定串行地址和数据内容上的 I2 C 触 发，在 3 周期 chirp 上触发的能力。数据通道 D14 和 D15 分别 定义为 I2 C 时钟和数据输入触发信号。实际上我们能把 16 个数 字通道及 2 个或 4 个示波器通道中的任何通道定义为对这样 2 个输入信号的串行触发。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”叠加显示中检测外部 DAC 输入（MCU 输出）信号。

示出了时间相关 I2 C 串行解码基线；而该图上半 部分也用表格形式显示了串行解码。 虽然图中没有示出，但可以把示波器的其他模拟通道设置为同时 检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，未使用的 MSO 数字通道也可用于检测和或进一 步限定数控面板输入和 / 或 LCD 输出驱动器信号上的触发。

总结

混合信号示波器（MSO）是用于调试和验证今天许多 基于 MCU 和 DSP 混合信号设计正 常工作的新工具。MSO 在一台一体化的仪器上提供模拟和数字波形的时间相关显示，以 及所有模拟和数字通道的强大混合信号触发能力，因此能让设计师使用他们熟悉的、基于 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。 今天市场上有着各式各样的 MSO 和综合性的混合信号测量工具，在做出购买决定前，一 定要仔细评估这些仪器的测量能力和可使用性。

您应特别关注混合信号示波器MSO如下七项特性：

1. MSO 的工作方式要像熟悉的示波器――而不是像逻辑分析仪。
2. MSO 应当具备示波器的全部测量能力，同时不会牺牲其他特性，例如自动定标，触 发释抑，无限余辉（适合模拟和数字通道）以及探头 / 通道偏移校正等。
3. MSO 要像示波器那样提供快的波形更新率，而不能像逻辑分析仪那样提供慢的更新率。
4. MSO 数字 / 逻辑通道采集系统的性能（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 要能在模拟和数字通道上同时触发（混合信号触发），具有精确的时间校准功能。
6. MSO 要能根据最小限定时间在码型上触发，从而避免在不稳定的跳变的切换条件上 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――而非会在重复波形上 产生显著触发抖动的基于波形样本的触发。
责任编辑：彭菁