作者丨鼎陽科技 張一慧
引言
數(shù)字電路測試是數(shù)字電路設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，用于驗證數(shù)字電路功能是否按照所期望的方式工作。在數(shù)字電路測試中，通常使用示波器進行數(shù)字電路輸出信號的檢測，從而進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量解決方案。本文將為大家介紹如何使用示波器進行典型數(shù)字電路的調(diào)試。
1、意義
隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，電子電路的設(shè)計逐步復(fù)雜化，從而導(dǎo)致數(shù)字電子電路的測試越來越困難?？茖W合理的測試方案無疑在電路設(shè)計和制造過程中具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
驗證電路功能：通過輸入特定的信號并觀察輸出，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)計缺陷：在測試過程中，可能會發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計中存在的缺陷或錯誤，例如邏輯錯誤或元件故障，通過及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)這些錯誤，可以避免在產(chǎn)品發(fā)布后出現(xiàn)嚴重問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
優(yōu)化電路設(shè)計：通過測試，可以獲得電路的實際性能數(shù)據(jù)，如功耗、速度、穩(wěn)定性等。這些數(shù)據(jù)可以用于評估電路性能，并為優(yōu)化電路設(shè)計提供依據(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，搜索關(guān)心的特定事件，從而方便用戶分析電路特點并解決問題。
想要找到和看到問題，首先需要一臺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。
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行復(fù)雜的觸發(fā)設(shè)置，即可在較短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)波形中的異常，提高測試效率。
若需要了解異常信號相對于正常信號發(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，以此判斷異常信號出現(xiàn)的概率。
圖1 快速捕獲異常信號
若想要在長波形記錄中找到一個特定事件，可開啟搜索和導(dǎo)航功能。通過指定條件，對波形進行自動搜索，并把符合條件的事件用白色三角符號標識出來，結(jié)合導(dǎo)航功能，快速定位到感興趣的事件，省去了手動搜索的耗時和不便。
圖2 快速找到關(guān)注事件并進行標記
多路數(shù)字信號測量
在復(fù)雜的數(shù)字電路中，工程師們可能需要捕獲多個串行或并行數(shù)字信號，觀測被測信號的時序關(guān)系，鼎陽科技多款示波器可搭配SPL2016邏輯探頭實現(xiàn)16路數(shù)字通道的采集功能， 16路數(shù)字信號可分為兩組，每組可自定義命名，兩組信號在邏輯分析儀探頭中可獨立設(shè)置閾值電平，這樣用戶可以使用同一個探頭同時觀察兩種不同的數(shù)字邏輯電平信號。
數(shù)字通道與模擬通道相結(jié)合，以實現(xiàn)混合信號采集與分析功能，快速解決模數(shù)混合信號的設(shè)計與分析等問題。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顯示
數(shù)字信號的測量分析
數(shù)字信號是用來傳達特定數(shù)字值的信號，最簡單、常見的是二進制信號，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。
圖5：數(shù)字信號判決過程
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)字信號后，用戶需要分析信號，更好地了解底層原因，鼎陽科技多款示波器的自動測量、統(tǒng)計和光標等波形分析工具可以協(xié)助快速了解事件特點、診斷問題。
串行總線解碼
在數(shù)字電路測試中，解碼是將捕獲的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可讀的信號表示形式的過程，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，進而對電路的功能和性能進行分析和評估。
示波器在數(shù)字電路測試中扮演著關(guān)鍵角色，它不僅能夠捕獲電路中的數(shù)字信號，還能通過內(nèi)置的解碼功能將信號轉(zhuǎn)換為可讀的格式，這大大簡化了工程師對信號的分析過程，提高了測試效率。
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，其能夠準確地捕獲接口總線上的電信號，并以波形的方式直觀展示出來，可同時觀察多個信號線的總線系統(tǒng)，進行信號間的時序關(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)定性和性能達到設(shè)計要求。
圖7 SPI解碼結(jié)果
數(shù)字電路設(shè)計中的抖動測量
抖動(Jitter)是信號沿相對其理想位置的偏移量，在高速數(shù)字電路測量中，通常關(guān)心的是高頻抖動。
抖動是數(shù)字信號，特別是高速數(shù)字信號非常重要的一個概念，越是高速的信號，其周期越短，對于抖動的要求就越嚴格。
對于復(fù)雜的數(shù)字信號來說，除了關(guān)心其抖動的RMS值以及峰峰值以外，還會關(guān)心該抖動的不同組成成分，因為不同成分的抖動對于數(shù)字電路的影響是不一樣的，相應(yīng)的應(yīng)對手段也不一樣，比如很多高速總線都會對高速數(shù)字信號的隨機抖動成分、周期性抖動、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動等進行進一步的分解和研究。
鼎陽科技部分示波器系列產(chǎn)品可提供抖動分析選件，可以對數(shù)字信號的多種抖動參數(shù)進行測量，并且基于TIE數(shù)據(jù)對抖動進行分解，對各種抖動分量進行時域和頻域上的解析。
圖8 抖動的分解
抖動分解完成后，在對RJ估計正確的情況下，可以通過有限樣本的抖動測量值來估計任意誤碼率下的TJ，以節(jié)省測試時間；對各組成分量的形成原因的分析，可以在測量到某分量時反推到形成原因，有利于快速定位問題。
圖9 示波器抖動分析界面
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，即使在測量高頻信號時，也能保證信號的真實還原，捕獲高速瞬態(tài)信號，從而快速、準確地發(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、同時測量多路數(shù)字信號、分析數(shù)字信號的參數(shù)以及解碼串行總線信號，能夠分析和評估數(shù)字通信系統(tǒng)中信號的抖動特性，提高系統(tǒng)性能。通過合理設(shè)置示波器的參數(shù)和使用其高級功能，可以大大提高數(shù)字電路測試的效率和準確性。
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