混合信號(hào)示波器調(diào)試數(shù)字電路的技巧 應(yīng)用指南

使用混合信號(hào)示波器調(diào)試數(shù)字電路的技巧
應(yīng)用指南
引言
隨著電子產(chǎn)品速度越來(lái)越快、越來(lái)越復(fù)雜，其設(shè)計(jì)、檢 泰克MSO2000、MSO3000和MSO4000系列混合信號(hào)
驗(yàn)和調(diào)試的難度也越來(lái)越大。設(shè)計(jì)人員必須全面檢驗(yàn)設(shè) 示波器不僅提供了泰克示波器的完美性能，還融合了16
計(jì)，才能保證產(chǎn)品可靠運(yùn)行。在發(fā)生問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)人員 通道邏輯分析儀的基本功能，包括并行/串行總線協(xié)議
必需迅速了解根本原因，以便解決問(wèn)題。通過(guò)同時(shí)分析 解碼和觸發(fā)。MSO系列提供了首選工具，可以采用強(qiáng)大
信號(hào)的模擬表示方式和數(shù)字表示方式，許多數(shù)字問(wèn)題的 的數(shù)字觸發(fā)、高分辨率采集功能和分析工具，迅速調(diào)試
根本原因都可以迎刃而解，因此，混合信號(hào)示波器 數(shù)字電路。本應(yīng)用指南重點(diǎn)介紹檢驗(yàn)和調(diào)試技巧，幫助
(MSO)為檢驗(yàn)和調(diào)試數(shù)字電路提供了理想的解決方案。 您使用泰克MSO系列更高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)。
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圖1. 同一個(gè)MSO4000數(shù)字探頭適配夾上的混合邏輯家族 圖2. MSO系列上的定時(shí)采集實(shí)例，它使用設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)定
(TTL & LVPECL)門(mén)限設(shè)置。上面三條通道是TTL信號(hào)，門(mén)限 義和解碼4條并行總線。
為1.40 V；下面兩條通道是LVPECL信號(hào)，門(mén)限為2.00 V。
設(shè)置數(shù)字門(mén)限 定時(shí)采集和狀態(tài)采集
混合信號(hào)示波器的數(shù)字通道把數(shù)字信號(hào)視為邏輯值高或 主要數(shù)字采集技術(shù)有兩種。第一種技術(shù)是定時(shí)采集，其
邏輯值低，與數(shù)字電路查看信號(hào)的方式一模一樣。也就 中MSO以MSO采樣率確定的距離相等的時(shí)間對(duì)數(shù)字
是說(shuō)，只要振鈴、過(guò)沖和地電平反彈不導(dǎo)致邏輯跳變， 信號(hào)采樣。在每個(gè)樣點(diǎn)上，MSO存儲(chǔ)信號(hào)的邏輯狀態(tài)，
那么這些模擬特點(diǎn)對(duì)MSO就不是問(wèn)題。與邏輯分析儀 創(chuàng)建信號(hào)的時(shí)序圖。
一樣，MSO使用門(mén)限電壓，確定信號(hào)是邏輯值高還是
第二種數(shù)字采集技術(shù)是狀態(tài)采集。狀態(tài)采集規(guī)定了數(shù)字
邏輯值低。
信號(hào)邏輯狀態(tài)有效穩(wěn)定的特殊時(shí)間，這在同步和時(shí)鐘輸
MSO4000系列可以為每條通道獨(dú)立設(shè)置門(mén)限，適合調(diào) 入數(shù)字電路中十分常見(jiàn)。時(shí)鐘信號(hào)規(guī)定了信號(hào)狀態(tài)有效
試帶有混合邏輯家族的電路。圖1顯示了MSO4000在 的時(shí)間。例如，對(duì)采用上升沿時(shí)鐘的D觸發(fā)裝置來(lái)說(shuō)，
其中一個(gè)數(shù)字探頭適配夾上測(cè)量五個(gè)邏輯信號(hào)，它同時(shí) 輸入信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間在時(shí)鐘上升沿周?chē)?duì)采用上升沿時(shí)
測(cè)量三個(gè)TTL (晶體管- 晶體管邏輯)信號(hào)和兩個(gè) 鐘的D觸發(fā)裝置來(lái)說(shuō)，輸出信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間在時(shí)鐘下降沿
LVPECL (低壓正發(fā)射器-耦合邏輯)信號(hào)。 周?chē)?。由于同步電路的時(shí)鐘周期可能并不是固定的，因
此狀態(tài)采集之間的時(shí)間可能并不均勻，這一點(diǎn)是它與定
MSO2000和MSO3000系列則為每個(gè)探頭適配夾設(shè)置
時(shí)采集的不同點(diǎn)。
門(mén)限(一組8條通道)，因此TTL信號(hào)將位于第一個(gè)適配
夾上，而LVPECL信號(hào)則位于第二個(gè)適配夾上。 邏輯分析儀同時(shí)提供了定時(shí)采集功能和狀態(tài)采集功能。
混合信號(hào)示波器數(shù)字通道采集信號(hào)的方式與邏輯分析儀
在定時(shí)采集模式下采集信號(hào)的方式類(lèi)似，如圖2所示。
泰克MSO系列把定時(shí)采集解碼成時(shí)鐘輸入總線顯示畫(huà)
面(圖2)和事件表(圖3)，其與邏輯分析儀的狀態(tài)采集顯
示畫(huà)面類(lèi)似，在調(diào)試過(guò)程中為您提供重要信息。
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圖3. 在事件表中顯示解碼的數(shù)據(jù)，這與邏輯分析儀的狀態(tài)采 圖4. 探頭色碼與波形色碼一致，可以更簡(jiǎn)便地查看哪些信號(hào)
集顯示畫(huà)面類(lèi)似。 與哪個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)。
帶色碼的數(shù)字波形顯示 態(tài)。這意味著只顯示總線上有效的跳變，而不包括數(shù)據(jù)
無(wú)效時(shí)發(fā)生的任何跳變。對(duì)非時(shí)鐘輸入解碼，MSO在每
數(shù)字定時(shí)波形看上去與模擬波形非常類(lèi)似，但有一點(diǎn)除
個(gè)樣點(diǎn)上解碼總線，顯示總線上的每個(gè)跳變。在MSO使
外，即它只顯示邏輯值高和低。定時(shí)采集分析的重點(diǎn)通
用時(shí)鐘輸入解碼時(shí)，解碼的總線顯示畫(huà)面和事件表與邏
常是確定具體時(shí)點(diǎn)的邏輯值，測(cè)量一個(gè)或多個(gè)波形上邊
輯分析儀的狀態(tài)顯示畫(huà)面非常類(lèi)似。由于總線解碼是采
沿跳變之間的時(shí)間。為使分析變得更簡(jiǎn)便，泰克MSO
集后流程，因此您可以在分析過(guò)程中靈活地改變解碼格
系列在數(shù)字波形上用藍(lán)色顯示邏輯值低，用綠色顯示邏
式。
輯值低，即使看不見(jiàn)跳變時(shí)，用戶(hù)仍能查看邏輯值。波
形標(biāo)記顏色還與探頭色碼一致，可以更簡(jiǎn)便地查看哪個(gè) 泰克MSO系列同時(shí)解碼最多兩條或四條總線，具體視
信號(hào)與哪個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)，如圖4所示。 型號(hào)而定?？偩€定義為并行或串行(I2C, SPI, CAN, LIN,
FlexRay, RS-232/422/485/UART和I2S/LJ/RJ/TDM)。
數(shù)字定時(shí)波形可以分組，建立一條總線。一個(gè)數(shù)字信號(hào)
并行總線由數(shù)字通道D0-D15中的任意一條通道組成。
被定義為最低有效位，其它數(shù)字信號(hào)表示二進(jìn)制數(shù)值的
串行總線由模擬通道1 - 4和數(shù)字通道D0 - D15中的
其它位，直到最高有效位。然后MSO把總線解碼成二
任意一條通道組成。MSO系列一次顯示最多4條模擬通
進(jìn)制值或十六進(jìn)制值。泰克MSO系列還建立一個(gè)事件
道、4個(gè)參考波形、1個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算波形、4條總線和16
表，把邏輯狀態(tài)顯示為二進(jìn)制值或十六進(jìn)制值。每種狀
條數(shù)字通道，可以最大限度地了解電路行為。
態(tài)都帶有時(shí)間標(biāo)記，簡(jiǎn)化了時(shí)序測(cè)量工作。
泰克MSO系列使用時(shí)鐘輸入格式或非時(shí)鐘輸入格式解
碼并行總線。對(duì)時(shí)鐘輸入解碼，MSO確定指定作為時(shí)
鐘的信號(hào)的上升沿、下降沿或兩個(gè)沿上總線的邏輯狀
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圖5. 使用測(cè)量統(tǒng)計(jì)功能迅速檢驗(yàn)5 V CMOS信號(hào)幅度。 圖6. 對(duì)5 V COMOS信號(hào)，把MSO數(shù)字門(mén)限設(shè)置為2.5 V。
準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)字采集
在MSO準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)字采集時(shí)，基本任務(wù)有兩項(xiàng)。第一， 從圖6中可以看到同一信號(hào)模擬波形和數(shù)字波形上升沿
與邏輯分析儀一樣，需要為被測(cè)的邏輯家族配置MSO 之間的時(shí)間偏移。模擬波形位于數(shù)字波形前面。為準(zhǔn)確
數(shù)字通道門(mén)限，以保證采集正確的邏輯電平。第二，需 地進(jìn)行測(cè)量，必需去掉模擬到數(shù)字時(shí)間偏移，以在模擬
要調(diào)節(jié)模擬通道的偏移，以在模擬通道和數(shù)字通道之間 波形和數(shù)字波形之間更好地實(shí)現(xiàn)時(shí)間相關(guān)。泰克MSO
實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的時(shí)間相關(guān)。 系列提供了可以調(diào)節(jié)的模擬探頭偏移校正功能，使模擬
通道相對(duì)對(duì)準(zhǔn)，并使模擬通道與數(shù)字通道對(duì)準(zhǔn)。模擬通
可以使用MSO的模擬通道，迅速檢查數(shù)字信號(hào)的邏輯
道偏移校正設(shè)置補(bǔ)償不同模擬探頭的傳播延遲。
擺幅。在圖5中，MSO使用多個(gè)采集中的測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)
據(jù)，自動(dòng)測(cè)量5 V CMOS信號(hào)幅度。對(duì)電壓擺幅對(duì)稱(chēng)的 泰克MSO系列中每臺(tái)示波器都帶有一只邏輯探頭。為
邏輯家族，如CMOS，門(mén)限是信號(hào)幅度的一半。在圖6 簡(jiǎn)化數(shù)字測(cè)量，示波器會(huì)補(bǔ)償邏輯探頭的傳播延遲，因
中，數(shù)字通道門(mén)限設(shè)置為2.5 V，是5 V CMOS信號(hào)幅 此沒(méi)有數(shù)字通道探頭偏移校正調(diào)節(jié)功能。例如，
度的一半。但對(duì)邏輯擺不對(duì)稱(chēng)的邏輯家族，如TTL，一 MSO4000數(shù)字通道的通道間偏移指標(biāo)典型值是60 ps。
般需要查閱元件產(chǎn)品技術(shù)資料，把邏輯設(shè)備最大低電平
輸入電壓值(TTL V = 0.8V)和最小高電平輸入電壓值
IL
(TTL V = 2.0V)的一半(TTL V = 1.4V)作為門(mén)限。
IH threshold
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為把模擬通道與數(shù)字通道對(duì)準(zhǔn)，CMOS模擬波形上的
2.5 V位置需要與2.5 V門(mén)限上發(fā)生的CMOS邏輯跳變
在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)。如圖7所示，我們使用-1.60 ns偏移校
正功能，把模擬通道與數(shù)字通道對(duì)準(zhǔn)。對(duì)其它模擬通道，
重復(fù)這個(gè)偏移校正過(guò)程。
在模擬探頭變化時(shí)，應(yīng)檢查模擬通道偏移，在測(cè)量不同
的邏輯家族時(shí)，應(yīng)檢查數(shù)字門(mén)限。通過(guò)配置門(mén)限和偏移，

內(nèi)容描述： 本應(yīng)用指南詳細(xì)闡述了如何有效地利用混合信號(hào)示波器（HSO）來(lái)調(diào)試和分析復(fù)雜的數(shù)字電路。混合信號(hào)示波器作為電子測(cè)試工具，不僅能夠捕捉模擬信號(hào)的波形，還具備處理和顯示數(shù)字信號(hào)的能力，這對(duì)于現(xiàn)代集成 circuits（如微控制器、FPGA、ASIC等）的設(shè)計(jì)與故障排查至關(guān)重要。 在本指南中，我們將涵蓋以下關(guān)鍵主題： 1. **理解混合信號(hào)示波器的基本原理**：介紹混合信號(hào)示波器的工作原理，包括其前端的模擬輸入通道和后端的數(shù)字邏輯分析功能。 2. **設(shè)置與配置**：講解如何正確配置示波器的觸發(fā)源、觸發(fā)模式、采樣速率、位深度以及數(shù)字化觸發(fā)等功能，以便捕獲到所需頻率范圍內(nèi)的有效數(shù)字信號(hào)波形。 3. **探頭與接口技術(shù)**：介紹各類(lèi)探針和適配器的使用方法，以確保模擬和數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確采集。 4. **數(shù)字信號(hào)分析技巧**：探討如何解析并解讀示波器上呈現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）、 SPI、I2C、UART 等常見(jiàn)數(shù)字通信協(xié)議的波形特征，以及異常情況下的信號(hào)診斷。 5. **故障排除實(shí)例**：通過(guò)實(shí)際案例演示如何運(yùn)用混合信號(hào)示波器進(jìn)行時(shí)序圖比較、信號(hào)抖動(dòng)測(cè)量、噪聲分析及寄生參數(shù)影響識(shí)別等步驟，幫助讀者掌握解決數(shù)字電路問(wèn)題的方法。 6. **最佳實(shí)踐與注意事項(xiàng)**：總結(jié)調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn)，如噪聲抑制、信號(hào)耦合選擇以及實(shí)時(shí)觀察的重要性等，以提升工作效率并避免誤判。 總之，《混合信號(hào)示波器調(diào)試數(shù)字電路的技巧 應(yīng)用指南》為工程師提供了全方位指導(dǎo)，使其能夠在日常工作中更嫻熟地利用混合信號(hào)示波器這一強(qiáng)大的工具來(lái)診斷和優(yōu)化各種復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)。