作者丨鼎陽科技 張一慧
引言
數(shù)字電路測(cè)試是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，用于驗(yàn)證數(shù)字電路功能是否按照所期望的方式工作。在數(shù)字電路測(cè)試中，通常使用示波器進(jìn)行數(shù)字電路輸出信號(hào)的檢測(cè)，從而進(jìn)行故障查找或確定電路性能和參數(shù)，不同的示波器具有不同的帶寬和采樣率，可以為多種類型的電路提供合適的測(cè)量解決方案。本文將為大家介紹如何使用示波器進(jìn)行典型數(shù)字電路的調(diào)試。
1、意義
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，電子電路的設(shè)計(jì)逐步復(fù)雜化，從而導(dǎo)致數(shù)字電子電路的測(cè)試越來越困難?？茖W(xué)合理的測(cè)試方案無疑在電路設(shè)計(jì)和制造過程中具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
驗(yàn)證電路功能：通過輸入特定的信號(hào)并觀察輸出，可以確保電路在各種工作條件下都能正確執(zhí)行其功能，這對(duì)于確保產(chǎn)品的可靠性和性能至關(guān)重要。
發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷：在測(cè)試過程中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)中存在的缺陷或錯(cuò)誤，例如邏輯錯(cuò)誤或元件故障，通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)這些錯(cuò)誤，可以避免在產(chǎn)品發(fā)布后出現(xiàn)嚴(yán)重問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：通過測(cè)試，可以獲得電路的實(shí)際性能數(shù)據(jù)，如功耗、速度、穩(wěn)定性等。這些數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估電路性能，并為優(yōu)化電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
2、解決方案
異常事件和特定事件的捕獲
示波器在設(shè)計(jì)和調(diào)試數(shù)字電路的過程中，可以幫助工程師迅速發(fā)現(xiàn)問題，捕獲異常波形信號(hào)，搜索關(guān)心的特定事件，從而方便用戶分析電路特點(diǎn)并解決問題。
想要找到和看到問題，首先需要一臺(tái)能夠輕松捕獲到低概率異常事件的示波器，它可以讓用戶在幾秒內(nèi)看到毛刺或者其它偶發(fā)瞬態(tài)事件，揭示電路問題的真正特點(diǎn)。
除此之外，鼎陽示波器具有余輝顯示功能，余輝開啟后，示波器用新采集的波形更新顯示，但并不立即清除之前采集的波形。已采集的波形將以亮度較低的顏色顯示，而新采集的波形則以正常顏色和亮度顯示，結(jié)合高波形刷新率和余輝功能，某些情況下用戶無須進(jìn)行復(fù)雜的觸發(fā)設(shè)置，即可在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)波形中的異常，提高測(cè)試效率。
若需要了解異常信號(hào)相對(duì)于正常信號(hào)發(fā)生的頻次，可開啟色溫功能，波形出現(xiàn)的頻率越大，顏色越暖，出現(xiàn)的頻率越小，顏色越冷，以此判斷異常信號(hào)出現(xiàn)的概率。
圖1 快速捕獲異常信號(hào)
若想要在長(zhǎng)波形記錄中找到一個(gè)特定事件，可開啟搜索和導(dǎo)航功能。通過指定條件，對(duì)波形進(jìn)行自動(dòng)搜索，并把符合條件的事件用白色三角符號(hào)標(biāo)識(shí)出來，結(jié)合導(dǎo)航功能，快速定位到感興趣的事件，省去了手動(dòng)搜索的耗時(shí)和不便。
圖2 快速找到關(guān)注事件并進(jìn)行標(biāo)記
多路數(shù)字信號(hào)測(cè)量
在復(fù)雜的數(shù)字電路中，工程師們可能需要捕獲多個(gè)串行或并行數(shù)字信號(hào)，觀測(cè)被測(cè)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，鼎陽科技多款示波器可搭配SPL2016邏輯探頭實(shí)現(xiàn)16路數(shù)字通道的采集功能， 16路數(shù)字信號(hào)可分為兩組，每組可自定義命名，兩組信號(hào)在邏輯分析儀探頭中可獨(dú)立設(shè)置閾值電平，這樣用戶可以使用同一個(gè)探頭同時(shí)觀察兩種不同的數(shù)字邏輯電平信號(hào)。
數(shù)字通道與模擬通道相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)采集與分析功能，快速解決模數(shù)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)與分析等問題。在數(shù)字通道參數(shù)區(qū)，可快捷設(shè)置數(shù)字通道波形顯示區(qū)域的高度范圍和位移。
圖4 數(shù)字通道與模擬通道同時(shí)顯示
數(shù)字信號(hào)的測(cè)量分析
數(shù)字信號(hào)是用來傳達(dá)特定數(shù)字值的信號(hào)，最簡(jiǎn)單、常見的是二進(jìn)制信號(hào)，示波器判定過程為低于門限的值表示為“0”，高于門限的值表示為“1”，門限電平?jīng)Q定著怎樣判決輸入信號(hào)。
圖5：數(shù)字信號(hào)判決過程
鼎陽科技示波器產(chǎn)品系列的數(shù)字通道功能可進(jìn)行自定義邏輯門限設(shè)置，除此之外，可設(shè)置的邏輯電平包括TTL、CMOS、LVCMOS 3.3V、LVCMOS 2.5V。
圖6 邏輯門限設(shè)置
捕獲了數(shù)字信號(hào)后，用戶需要分析信號(hào)，更好地了解底層原因，鼎陽科技多款示波器的自動(dòng)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)和光標(biāo)等波形分析工具可以協(xié)助快速了解事件特點(diǎn)、診斷問題。
串行總線解碼
在數(shù)字電路測(cè)試中，解碼是將捕獲的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀的信號(hào)表示形式的過程，這有助于工程師更好地理解電路中的數(shù)據(jù)傳輸和處理方式，進(jìn)而對(duì)電路的功能和性能進(jìn)行分析和評(píng)估。
示波器在數(shù)字電路測(cè)試中扮演著關(guān)鍵角色，它不僅能夠捕獲電路中的數(shù)字信號(hào)，還能通過內(nèi)置的解碼功能將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀的格式，這大大簡(jiǎn)化了工程師對(duì)信號(hào)的分析過程，提高了測(cè)試效率。
鼎陽科技示波器可提供多種總線協(xié)議的觸發(fā)與解碼功能，例如I2C、SPI、UART、CAN、LIN協(xié)議等，其能夠準(zhǔn)確地捕獲接口總線上的電信號(hào)，并以波形的方式直觀展示出來，可同時(shí)觀察多個(gè)信號(hào)線的總線系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系分析，更加深入地了解接口總線的通信情況，確保接口的穩(wěn)定性和性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
圖7 SPI解碼結(jié)果
數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)測(cè)量
抖動(dòng)(Jitter)是信號(hào)沿相對(duì)其理想位置的偏移量，在高速數(shù)字電路測(cè)量中，通常關(guān)心的是高頻抖動(dòng)。
抖動(dòng)是數(shù)字信號(hào)，特別是高速數(shù)字信號(hào)非常重要的一個(gè)概念，越是高速的信號(hào)，其周期越短，對(duì)于抖動(dòng)的要求就越嚴(yán)格。
對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)來說，除了關(guān)心其抖動(dòng)的RMS值以及峰峰值以外，還會(huì)關(guān)心該抖動(dòng)的不同組成成分，因?yàn)椴煌煞值亩秳?dòng)對(duì)于數(shù)字電路的影響是不一樣的，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)手段也不一樣，比如很多高速總線都會(huì)對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的隨機(jī)抖動(dòng)成分、周期性抖動(dòng)、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)等進(jìn)行進(jìn)一步的分解和研究。
鼎陽科技部分示波器系列產(chǎn)品可提供抖動(dòng)分析選件，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)的多種抖動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并且基于TIE數(shù)據(jù)對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行分解，對(duì)各種抖動(dòng)分量進(jìn)行時(shí)域和頻域上的解析。
圖8 抖動(dòng)的分解
抖動(dòng)分解完成后，在對(duì)RJ估計(jì)正確的情況下，可以通過有限樣本的抖動(dòng)測(cè)量值來估計(jì)任意誤碼率下的TJ，以節(jié)省測(cè)試時(shí)間；對(duì)各組成分量的形成原因的分析，可以在測(cè)量到某分量時(shí)反推到形成原因，有利于快速定位問題。
圖9 示波器抖動(dòng)分析界面
總結(jié)
鼎陽科技示波器的多款功能在數(shù)字電路測(cè)試中可以發(fā)揮重要作用，特別是高帶寬、高采樣率產(chǎn)品，即使在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，也能保證信號(hào)的真實(shí)還原，捕獲高速瞬態(tài)信號(hào)，從而快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和定位問題。
此外，鼎陽科技示波器也能夠捕獲和分析異常事件和特定事件、同時(shí)測(cè)量多路數(shù)字信號(hào)、分析數(shù)字信號(hào)的參數(shù)以及解碼串行總線信號(hào)，能夠分析和評(píng)估數(shù)字通信系統(tǒng)中信號(hào)的抖動(dòng)特性，提高系統(tǒng)性能。通過合理設(shè)置示波器的參數(shù)和使用其高級(jí)功能，可以大大提高數(shù)字電路測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性。
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